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ESCUELA POLITÉCNICA DEL
EJÉRCITO
SEDE LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA UTILIZANDO UNA TURBINA
MICHELL BANKI PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN EL SECTOR DE LAS CARMELITAS DEL CANTÓN
TENA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO DE EJECUCIÓN EN ELECTROMECÁNICA
FREDDY JAVIER LANDA QUIMBITA LUIS EDUARDO LLANGANATE QUINATOA
Latacunga, Febrero 2009
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DEDICATORIA
Con todo cariño admiración y respeto dedico este trabajo a DIOS por
ser mi amigo y apoyo incondicional durante toda mi vida, a la familia Landa
Quimbita quienes me apoyaron incondicionalmente para su realización, a mi
Padre en especial a Luis Landa que siempre espera la superación de su hijo,
a todas aquellas personas que estuvieron conmigo en alguna etapa de mi
vida y formaron mi carácter, experiencia y pensamiento.
Freddy.
Me gustaría dedicar esta Tesis a toda mi familia.
Para mis padres, por su comprensión y ayuda en momentos malos y buenos.
Me han enseñado a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad, ni
desfallecer en el intento. Me han dado todo lo que soy como persona, mis
valores, mis principios, mi perseverancia y mi empeño, y todo ello con una
gran dosis de amor y sin pedir nunca nada a cambio.
Para mi esposa Liliana, a ella especialmente le dedico esta Tesis. Por su
paciencia, por su comprensión, por su empeño, por su fuerza, por su amor,
por ser tal y como es,... porque la quiero. Es la persona que más
directamente ha sufrido las consecuencias del trabajo realizado. Realmente
ella me llena por dentro para conseguir un equilibrio que me permita dar el
máximo de mí. Nunca le podré estar suficientemente agradecido.
Para mis hijos Sebastián, Francisco Y Doménica. Ellos son lo mejor que me
ha pasado, y han venido a este mundo para darme el último empujón para
terminar el trabajo. Es sin duda mí referencia para el presente y para el
futuro.
Luis
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AGRADECIMIENTO
Primero el agradecimiento a Dios que me dio salud, vida y fortaleza para
alcanzar mis metas, a mis padres quienes me apoyaron a lo largo de toda mi
existencia y a todos quienes colaboraron y prestaron su atención
desinteresadamente para llegar a culminar cada uno de mis pasos.
Freddy
Gracias a todas y cada una de las personas que participaron en la
investigación realizada, ya que invirtieron su tiempo y conocimientos para
ayudarme a completar mi proyecto de tesis.
Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones
Agradezco al apoyo incondicional de mi esposa y la comprensión de mis
hijos.
Agradezco a mis Padres, a mis Hermanos, a mis Cuñados por la compañía
que me brindan. Se que cuento con ellos siempre.
Por ultimo, quiero agradecer a todos aquellas personas que sin esperar nada
a cambio compartieron pláticas, conocimientos y diversión. A todos
aquellos que durante los últimos años que duró este sueño lograron
convertirlo en una realidad.
Gracias,
Luis
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN .............................................................................. - 1 -
2. ANTECEDENTES GENERALES ...................................................... - 2 -
3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................... - 3 -
4. OBJETIVOS ...................................................................................... - 4 -
4.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................... - 4 -
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO
1.1. Energía potencial del agua ............................................................... - 5 -
1.2. Importancia de las pequeñas centrales en el sector rural ................... - 6 -
1.3. ¿Qué es un sistema pico hidráulico? ................................................. - 8 -
1.3.1. Principios básicos de una pico hidro ........................................... - 10 -
1.3.2. Potencia ...................................................................................... - 12 -
1.3.3. Eficiencia .................................................................................... - 13 -
1.4. Turbina michell banki .................................................................... - 14 -
1.4.1. Introducción ................................................................................ - 14 -
1.4.2. Características Generales: ........................................................... - 15 -
1.4.3. Campo de aplicación. .................................................................. - 16 -
1.4.4. Principio de funcionamiento ....................................................... - 16 -
1.4.5. Descripción de una turbina Michell-Banki .................................. - 17 -
1.4.6. Proceso de fabricación ................................................................ - 20 -
1.4.7. Cálculos para la fabricación: ....................................................... - 23 -
1.4.8. Instalación .................................................................................. - 24 -
1.5. El generador .................................................................................. - 25 -
1.5.1. Generación en Corriente Alterna ................................................. - 26 -
1.5.2. Generación en Corriente Continua .............................................. - 26 -
1.5.3. Motor utilizado como generador ................................................. - 27 -
1.6. Tipos de regulación ........................................................................ - 28 -
1.6.1. Regulación de velocidad por caudal. ........................................... - 29 -
1.6.2. Regulación por carga complementaria. ........................................ - 29 -
v
1.6.3. Mediante la combinación del control por caudal y por carga
complementaria. ............................................................................... - 29 -
CAPITULO II
DISEÑO DE LA OBRA CIVIL
2.1. Datos técnicos ................................................................................ - 31 -
2.1.1. Bocatomas .................................................................................. - 31 -
2.1.2. Canal de Conducción .................................................................. - 32 -
2.1.3. Desarenador y cámara de carga ................................................... - 32 -
2.1.4. Tubería de presión ...................................................................... - 33 -
2.1.4.1. Tuberías de acero comercial ..................................................... - 34 -
2.1.5. Válvulas para tuberías de presión ................................................ - 34 -
2.1.5.1. Válvulas de compuerta ............................................................. - 35 -
2.1.6. Casa de Máquinas ....................................................................... - 35 -
CAPITULO III
PARÁMETROS DE SELECCIÓN Y DISEÑO MECÁNICO
3.1. Datos técnicos. ............................................................................... - 36 -
3.2. Diseño y cálculos hidráulicos ......................................................... - 37 -
3.2.1. Diagramas de velocidad .............................................................. - 40 -
3.2.2. Cálculo de la velocidad del agua a la salida del inyector .............. - 42 -
3.2.3. Geometría del Inyector ................................................................ - 46 -
3.2.4. Geometría del Rodete ................................................................. - 47 -
3.2.4.1. Diámetro interno ...................................................................... - 48 -
3.2.4.2. Radio de curvatura de los álabes .............................................. - 48 -
3.2.4.3. Ángulo de curvatura de los álabes ............................................ - 49 -
3.2.4.4. Carcasa y tapas laterales de la carcasa ...................................... - 50 -
3.3. Diseño de la tubería forzada ........................................................... - 50 -
3.3.1. Selección de la tubería forzada .................................................... - 50 -
3.3.2. La presión nominal ..................................................................... - 51 -
3.3.3. Selección del diámetro óptimo .................................................... - 52 -
3.4. Diseño y cálculos mecánicos .......................................................... - 54 -
3.4.1. Diseño y cálculos del rodete ........................................................ - 55 -
vi
3.4.1.1. Número de álabes del rotor ...................................................... - 55 -
3.4.1.2. Cálculo y diseño del eje del rodete .......................................... - 62 -
3.4.1.3. Número óptimo de revoluciones en RPM ................................. - 63 -
3.4.1.4 Selección de la chaveta ............................................................. - 67 -
3.5. Diseño del soporte de rodamiento .................................................. - 69 -
3.5.1. Selección de rodamiento ............................................................. - 70 -
3.5.2. Cálculo de la carga dinámica ....................................................... - 70 -
3.5.2.1. Capacidad de carga dinámica ................................................... - 71 -
3.5.2.2. Capacidad de carga estática ...................................................... - 71 -
3.6 Sistemas de transmisión de potencia mecánica ................................ - 72 -
3.6.1 Elementos de un sistema de transmisión de potencia mecánica .... - 72 -
3.6.1.1. Tipos de transmisiones ............................................................. - 73 -
3.6.1.2. Criterios para el dimensionamiento de sistemas de transmisión - 74 -
3.6.1.3. Transmisión por engranajes ...................................................... - 74 -
3.6.1.4. Multiplicadores de velocidad ................................................... - 75 -
3.6.2. Diseño del multiplicador ............................................................. - 75 -
3.6.3. Engranajes .................................................................................. - 77 -
3.6.3.1. Sentido de giro ......................................................................... - 78 -
3.6.3.2. Relación de velocidades ........................................................... - 78 -
3.6.3.3. Cálculo y diseño de los engranajes ........................................... - 79 -
3.6.3.4. Denominaciones y relaciones dentado del sistema de módulo . - 80 -
CAPITULO IV
SELECCIÓN TÉCNICA DEL EQUIPO ELÉCTRICO
4.1. Selección técnica de generadores ................................................... - 83 -
4.1.1 Generador de corriente continúa. .................................................. - 83 -
4.1.1.1 Ventajas .................................................................................... - 83 -
4.1.1.2 Desventajas ............................................................................... - 83 -
4.1.1.3 Mantenimiento .......................................................................... - 84 -
4.1.2 Generador Síncrono ..................................................................... - 85 -
4.1.2.1 Ventajas .................................................................................... - 85 -
4.1.2.2. Desventajas ............................................................................. - 86 -
4.1.2.3. Mantenimiento ......................................................................... - 87 -
vii
4.1.3 Generador de Inducción o Asíncronos .......................................... - 87 -
4.1.3.1 Ventajas ................................................................................... - 87 -
4.1.3.2 Desventajas ............................................................................... - 87 -
4.1.3.3 Mantenimiento .......................................................................... - 88 -
4.1.4. Selección Práctica del Generador ............................................... - 88 -
Características del generador síncrono .................................................. - 89 -
4.2. Selección del sistema de regulación de frecuencia y voltaje. .......... - 89 -
4.2.1. Importancia de controlar la frecuencia y voltaje del sistema ........ - 90 -
4.2.2 Regulación de velocidad por medio de caudal en la turbina. ......... - 91 -
4.2.3 Regulación de la velocidad por regulación de carga ..................... - 92 -
4.2.4 Criterios de selección ................................................................... - 93 -
Reguladores de carga ........................................................................ - 93 -
Reguladores de caudal ...................................................................... - 93 -
4.2.5. Selección de regulador ................................................................ - 93 -
4.2.5.1. Principio de funcionamiento..................................................... - 93 -
4.2.5.2 Características técnicas de reguladores electrónicos de carga ... - 94 -
4.3. Diseño y selección del equipo de seccionamiento control. .............. - 95 -
4.3.1 Protección Contra Sobrecarga ...................................................... - 96 -
4.3.1.1. Cálculo de protecciones de la vivienda ..................................... - 98 -
4.3.2. Protección contra cortocircuitos ............................................... - 100 -
4.3.2.1 Fusibles o cortacircuitos .......................................................... - 100 -
4.3.2.2 Selección de fusible ................................................................ - 102 -
CAPITULO V
INSTALACIÓN DE LA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA
5.1 Implementación ............................................................................ - 104 -
5.2 Bocatoma ..................................................................................... - 104 -
5.3 Canal de conducción ..................................................................... - 105 -
5.4 Desarenador y tanque de presión ................................................... - 105 -
5.5 Tanque de presión ......................................................................... - 106 -
5.6 Tubería de presión ........................................................................ - 108 -
5.7 La casa de máquinas ..................................................................... - 109 -
5.7.1 Cimientos. ................................................................................. - 109 -
viii
5.7.2 Piso. ........................................................................................... - 110 -
5.7.3 Paredes ...................................................................................... - 110 -
5.7.4 Canal de Desfogue ..................................................................... - 111 -
5.8 Cimentación de la turbina ............................................................. - 111 -
5.9 Sistema de acoplamiento ............................................................... - 112 -
CAPITULO VI
ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO
6.1. Análisis técnico económ. comparativo de la parte de generación . - 114 -
6.2. Análisis técnico económico comparativo de la turbina ................. - 114 -
6.3. Justificación de la inversión económica del proyecto ................... - 115 -
6.3.1 Beneficios .................................................................................. - 117 -
6.3.2 Valor residual. ........................................................................... - 119 -
6.3.2.1 Valor residual de obra civil: .................................................... - 120 -
6.3.2.2. Valor residual de la maquinaria, equipo electromec ................ - 120 -
6.3.2.3 Otros valores residuales (instalación y montaje) ..................... - 120 -
6.3.2.4 Valor residual total .................................................................. - 121 -
6.3.3 Flujo de caja interno .................................................................. - 121 -
6.3.4 Calculo Del Valor Actual Neto. (VAN)...................................... - 122 -
6.3.5 Tasa interna de retorno (TIR) ..................................................... - 123 -
6.3.6 Conclusión ................................................................................. - 125 -
CAPITULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 Conclusiones ............................................................................... - 126 -
7.2 Recomendaciones ........................................................................ - 128 -
BIBLIOGRAFIA ................................................................................ - 130 -
ENLACES WEB ................................................................................ - 131 -
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Componentes de un sistema Pico Hidro ............................... - 10 -
Figura 1.2. Pérdidas de potencia ........................................................... - 12 -
Figura 1.3. Campos de aplicación ......................................................... - 16 -
Figura 1.4. Etapas turbina ..................................................................... - 17 -
Figura 1.5. Descripción turbina ............................................................. - 18 -
Figura 1.6. Entradas de agua a la turbina ............................................... - 19 -
Figura 1.7. Rodete de la turbina Banki .................................................. - 20 -
Figura 1.8. Preparación de los álabes .................................................... - 21 -
Figura 1.9 Tipos de instalación ............................................................. - 24 -
Figura 1.10 Disposición de tubería cuando tenemos saltos elevados ..... - 25 -
Figura 3.1. Gráfico de velocidades ........................................................ - 43 -
Figura 3.2. Presión a diferentes alturas .................................................. - 51 -
Figura 3.3. Segmento circular del álabe ................................................ - 57 -
Figura 3.4 Diagrama de fuerzas ............................................................ - 62 -
Figura. 3.5 Diagrama de fuerza en el plano x - y ................................... - 64 -
Figura. 3.6 Diagrama de fuerzas ........................................................... - 65 -
Figura. 3.7 Diagrama de momentos ...................................................... - 65 -
Figura. 3.8 Diagrama de fuerzas x - z................................................... - 66 -
Figura. 3.9 Diagrama de momentos x - z ................................................ - 66-
Figura 3.10. Rueda y piñon .................................................................. - 77 -
Figura 3.11. Sentido de giro .................................................................. - 78 -
Figura. 4.1 Generador de corriente continua. ........................................ - 85 -
Figura 4.2: Esquema de regulación de velocidad por carga lastre .......... - 92 -
Figura. 4.3 Protecciones de un tablero de distribución eléctrica............. - 96 -
Figura 4.4 Esquema del fusible .......................................................... - 100 -
Figura 4.5 Tipos de fusibles ................................................................ - 103 -
Figura 5.1 Instalación de la Bocatoma ................................................ - 105 -
Figura 5.2 Excavación de desarenador tipo horizontal....................... - 106 -
Figura 5.3 Tanque de presión .............................................................. - 107 -
Figura 5.4 Colocación de acoples espiga tipo campana en la tubería - 109 -
Figura 5.5 Cimentación de la turbina Michell Banki al piso ............... - 112 -
x
Figura 5.6 Acoples flexible con correas de caucho. ............................. - 113 -
Figura 6.1 Gráfica del VAN ................................................................ - 124 -
Figura 6.2 Grafica del TIR .................................................................. - 124 -
INDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Dimensiones del pefil del rodete ........................................... - 49 -
Tabla 3.2 Viscosidad del agua a diferentes temperaturas ....................... - 53 -
Tabla 3.3 Parámetros caracteruisticos en turbinas ensayadas por diferentes
investigacciones ................................................................................ - 56 -
Tabla 4.1 Efectos de operación con baja frecuencia .............................. - 90 -
Tabla 4.2 Efectos de operación con alta frecuencia ................................ - 90-
Tabla 4.3 Tipo de cartuchos fusibles ..................................................... - 90 -
- 1 -
1. INTRODUCCIÓN
La producción de energía eléctrica a través del aprovechamiento de la fuerza
del agua forma parte de nuestra cultura como un medio normal, seguro y
consolidado de producir energía (tanto mecánica como eléctrica).
Actualmente, el uso más común de la fuerza hidráulica es la producción de
energía eléctrica, al menos en los países industrializados: casi un siglo y
medio de aplicaciones industriales tienen en esta dirección, con la
realización de obras y centrales de cierta importancia, incluso desde el punto
de vista arquitectónico, han ayudado a consolidar en nuestra mente la idea
de aprovechamiento de un recurso disponible de una forma limpia.
Sin embargo, algunas centrales hidroeléctricas, especialmente las de gran
tamaño, con embalses de millones de metros cúbicos de agua, tienen
impacto negativo sobre el medio ambiente. Actualmente se están
escuchando voces en contra de las energías renovables, incluso provenientes
de grupos ecologistas, que llaman la atención sobre el impacto ambiental
que producen algunas tecnologías, en relación a su reducida productividad. ´
Por desgracia, a menudo no se produce un diálogo entre las partes
interesadas, que permita contrastar el impacto real producido sobre el
territorio, con el beneficio en términos de disminución de emisiones
contaminantes: este clima puede perjudicar el desarrollo de las fuentes
renovables, tales como la mini-hidráulica, que en otros países son
fomentadas precisamente por las asociaciones ecologistas.
- 2 -
En este sentido, las Administraciones Públicas y los profesionales tienen un
papel importante en el aprovechamiento de las oportunidades que ofrece el
desarrollo de las fuentes de energías renovables: por una parte, los
directivos responsables de la imposición de las directrices en los ámbitos de
la energía, el medio ambiente y el territorio tienen la posibilidad de
favorecer la implantación de pequeñas instalaciones de fuentes de energías
renovables en nuestro país, a través de los instrumentos de la programación,
de facilitar los trámites de autorización, la asignación de fondos, y de la
adhesión a proyectos e iniciativas de programación local.
Por otra parte, los profesionales tienen la tarea de investigar sobre la
potencialidad que ofrece el territorio particularmente en la zona oriental del
Ecuador, estudiar cómo integrar estos sistemas en el medio local, diseñar
proyectos-piloto que ayuden a definir y difundir unos estándares.
2. ANTECEDENTES GENERALES
La energía hidráulica tiene como fuente la energía potencial del agua que
está a cierta altura. Esta se transforma en energía mecánica al pasar por una
turbina y posteriormente en energía eléctrica por medio de un generador.
La energía hidráulica se ha usado durante años para la obtención tanto de
energía mecánica, como para uso directo en energía eléctrica. Las ventajas
que presenta este tipo de aprovechamiento energético son, su bajo costo de
generación, bajo costo de manutención, no requiere abastecimiento de
combustibles, no presenta problemas de contaminación, puede
compatibilizarse con el uso del agua para otros fines, y una larga vida útil.
Tiene limitaciones en cuanto a la disponibilidad de los recursos hidráulicos,
dependencia de factores meteorológicos y estacionales.
Todos estos factores al ser analizados para un proyecto en particular,
determinan la factibilidad técnica y económica de la instalación de una pico-
central.
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Los picos centrales hidroeléctricos son pequeños sistemas energéticos que
aprovechan la energía renovable de pequeños y medianos cursos de agua y
la transforman en energía eléctrica.
Funcionan con desniveles de 2 a 200 metros y caudales de 0,5 a 3000
litros/seg. Proporcionan energía eléctrica en corriente continua o alterna en
un rango de 0,5 hasta 150 Kw. de potencia.
Las picos centrales hidroeléctricos constituyen una alternativa energética
viable, cohabitando en perfecta armonía con el hombre y el medio ambiente.
No contaminan, producen "energía límpia" sin causar daños hidrológicos.
Son confiables, de construcción sencilla, larga vida útil y mínimo
mantenimiento. Favorecen el asentamiento humano mejorando las
condiciones de calidad de vida y promueven el desarrollo industrial,
económico y social, logrando el equilibrio entre tecnología y naturaleza.
Están llamadas a cumplir un rol en la solución de los problemas energéticos
en el ámbito rural, a donde arribar con una línea de corriente eléctrica
implica costos muy altos.
Los lugares de aplicación más comunes son en zonas alejadas de la red de
suministro eléctrico y centros de distribución; y en sitios donde se desea
aprovechar un recurso hídrico disponible para generar energía a los efectos
de iniciar alguna explotación agrícola / ganadera, forestal, industrial, minera
o turística.
3. JUSTIFICACIÓN
Para la región Oriental del Ecuador, las tecnologías de energía renovable a
pequeña escala presentan una alternativa económica y ambiental factible
para la provisión de energía a comunidades rurales remotas y para la
expansión de la capacidad eléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas
aislados o por proyectos conectados a la red eléctrica. La región cuenta con
suficientes recursos para desarrollar sistemas hidráulicos.
- 4 -
Adicionalmente, estas tecnologías pueden disminuir la contaminación del
medio ambiente causada por las emisiones de gases de los sistemas
convencionales, que utilizan combustibles fósiles como el carbón y
productos derivados del petróleo. Estos gases contribuyen al efecto
invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta.
Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este
tipo de energía: la falta de conocimiento de las tecnologías y las capacidades
institucional y técnica aún incipientes.
Con el fin de remover la barrera de información existente en nuestro medio
se ha elaborado esta tesis en donde se ve la importancia y beneficios de la
Energía hidráulica a pequeña escala. Así como lo barato y sencillo que
resulta el diseñar y construir una pequeña central hidráulica.
4. OBJETIVOS
Este proyecto tiene como meta Diseñar y construir una pico central para
generaración eléctrica, utilizando una turbina Michelle Banki para
alumbrado y el funcionamiento de un pequeño taller industrial.
4.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Presentar instrucciones claras acerca del diseño y la instalación de
proyectos pico Hidro a nivel local.
• Enfatizar la sencillez, bajo requerimiento de mantenimiento y larga
vida útil de los sistemas pico Hidro.
• Obtener la generación en Corriente alterna, visto que sistemas de
bajo voltaje en Corriente directa no pueden fácilmente transmitir la
electricidad a distancias mayores de unos pocos metros.
- 5 -
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO
1.1. Energía potencial del agua1
Toda forma de energía se divide en dos tipos grandes de energía; la primera
clase de energía es la energía cinética, la energía del movimiento y acción.
La segunda mayor forma de energía es la energía potencial, energía que es
almacenada y potencialmente disponible para ser usada. La energía
potencial puede ser usada para transferirse en energía cinética. El agua,
como muchas sustancias, contiene dos clases de energía. La primera clase
de energía es llamada energía cinética.
Esta es la energía que es usada durante la ejecución de procesos, como es el
movimiento. Debido a la energía cinética el agua puede fluir, pero el agua
también puede contener energía potencial. Esta es la energía que está
almacenada en el agua. Almacenada, pero no usada. Esta energía puede
llegar a ser usada cuando el agua comienza a fluir. Será transferida a energía
cinética y esta causará el movimiento.
1 http://www.lenntech.com/espanol/FAQ-energia-agua.htm
- 6 -
Cuando el agua fluye o cae, se puede generar energía. La generación de
energía a través del agua es usualmente llevada a cabo en plantas
hidroeléctricas, con un número de pasos y el uso de varios aparatos, como
son las turbinas y generadores. La energía del agua puede ser usada para
producir electricidad.
La energía hidráulica se refiere al aprovechamiento de la energía potencial
que tiene el agua (por diferencia de altura) que se obtiene buscando una
caída de agua desde cierta altura a un nivel inferior, la que luego se
transforma en energía mecánica (rotación de un eje), con el uso de una
rueda hidráulica o turbina. Esta energía se puede utilizar directamente para
mover un pequeño aserradero, un molino o maquinaria pequeña. También es
posible conectar la turbina a un generador eléctrico y de esta manera
transformar la energía mecánica en energía eléctrica, con la ventaja de
trasladar con mayor facilidad la energía a los puntos de consumo y aplicarla
a una gran variedad de equipos y usos productivos.
Por lo tanto, la cantidad de potencia y energía disponible en el agua de un
río o una quebrada, está en relación directa a la altura o caída disponible, así
como de la cantidad de agua que se trasiega (caudal).
Como estrategia inicial para escoger un posible aprovechamiento hidráulico
se debe buscar la mayor caída o altura disponible y de esta manera usar la
cantidad mínima de agua que se requiera para satisfacer las necesidades de
energía y potencia.
1.2. Importancia de las pequeñas centrales en el sector rural
En la actualidad tiene especial importancia la explotación de pequeñas
centrales hidroeléctricas, pico y mini hidroeléctricas, como alternativa de
generación de energía eléctrica en zonas rurales montañosas donde no llega
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una red electro energética mayor, debido además del posible beneficio
económico, a su gran valor social y ecológico. No se descarta incluso, su
conexión a sistemas mayores, cuando sea posible y favorable
económicamente, como es el caso de las centrales a pie de presa para el
aprovechamiento de la energía de las aguas de riego agrícola o empleadas
en otros usos.
Los sistemas eléctricos interconectados han resuelto el abastecimiento de los
centros urbanos y han penetrado parcialmente en las áreas rurales. Quedan
aún grandes áreas geográficas sin servicio eléctrico y la población rural que
los habita se encuentra mayoritariamente en situación precaria, con niveles
de actividad económica de subsistencia y altos índices de necesidades
sociales básicas insatisfechas. Estas áreas rurales con pobladores alejados de
las redes de distribución, con requerimientos energéticos insatisfechos,
constituyen el ámbito principal donde la hidrogene ración eléctrica a
pequeña escala encuentra su aplicación potencial, en tanto se cuente con
recursos hídricos locales suficientes.
La demanda de energía eléctrica en áreas rurales se caracteriza por bajos
niveles de consumo y grandes áreas de dispersión de la población (baja
densidad de consumidores).
Los requerimientos de electricidad son básicamente domésticos y en menor
escala productivos. Los usos domésticos atienden a iluminación,
comunicación (radio, TV), conservación de alimentos, calentamiento de
agua. Las aplicaciones productivas están orientadas al bombeo de agua para
riego, accionamiento de motores, maquinaria y máquinas herramientas, etc.
Bajo estos criterios los requerimientos de energía para una familia rural se
ubican entre 500W y 2.000Watts de potencia eléctrica. Esta demanda
energética atiende en primer lugar a un concepto de calidad de vida; no cabe
esperar que el poblador rural utilice la electricidad para fines productivos en
escala significativa.
Deberá tomarse la decisión técnica de planificar el abastecimiento eléctrico
de tales requerimientos de energía, incorporando las nuevas tecnologías
- 8 -
alternativas, y así finalizar con los niveles de subsistencia actuales en el
ámbito rural y evitar los procesos migratorios hacia las ciudades que
convierten a los pobladores rurales en habitantes urbanos marginales.
La ventaja más importante del pico central hidráulico sobre otras fuentes de
energía renovables es que pueden generar las 24 horas del día, a menos que
se trate de casos excepcionales de escasez de agua o competencia en el uso
del agua. Las PCH se diseñan para la máxima demanda y generalmente con
proyección a por lo menos 20 años, de modo que en estos sistemas la mayor
parte del tiempo se genera mucha más energía que la demandada, esto
sucede en especial en la electrificación de pequeños centros poblados, donde
el uso normalmente es alumbrado doméstico, muy pocos artefactos
eléctricos, muy pequeños servicios locales (molienda de granos, soldadura,
carpintería, cargado de baterías y otros) y alumbrado público. Este tipo de
demandas suele presentar un pico muy elevado durante muy pocas horas del
día, mientras que las restantes horas el consumo es bajo, mientras que la
planta sigue generando la misma potencia durante el día.
1.3. ¿Qué es un sistema pico hidráulico?
Pico hidro refiere a instalaciones hidroeléctricas con niveles de generación
eléctrica menores de cinco kilovatios. Sistemas hidroeléctricos de este
tamaño gozan de ventajas en términos de costos y simplicidad, comparados
con sistemas hidroeléctricos de mayores capacidades, debido a distintos
procedimientos que se aplican en los pasos de diseño, planificación e
instalación del pico-sistema. Recientes innovaciones en la tecnología pico
hidro han hechos que se convierta en una tecnología energética
económicamente viable aún en partes del mundo muy pobres e
inaccesibles. Además es una fuente de potencia versátil. Puede generar
electricidad CA (corriente alterna) permitiendo el funcionamiento de
equipos eléctricos estándares, y la distribución de la electricidad a toda una
comunidad. Ejemplos comunes de los aparatos que funcionan en sistemas
- 9 -
pico hidros son: bujías para iluminación, radios, televisores, refrigeradoras,
y equipos de procesamiento de alimentos. Con algunos diseños pico hidro es
posible también sacar fuerza mecánica directamente del eje de la turbina,
permitiendo el funcionamiento de maquinarias tales como herramientas para
talleres, molinos de granos, y otros equipos de procesamiento de los
productos agrícolas locales. Se considera el uso de pico hidro en países en
vías de desarrollo. Existe un mercado sustancial para este tipo de sistemas
debido a varios factores:
• A menudo en países que tengan amplias redes de distribución
eléctrica, hay muchas comunidades pequeñas sin electrificarse. A
pesar de la fuerte demanda por la electrificación, la conexión de
estas comunidades a las redes no es rentable para las empresas
eléctricas, debido a los bajos niveles de consumo de una comunidad
pequeña.
• Para pico hidros se requieren caudales pequeños, por lo cual existen
numerosas fuentes aprovechables de agua. Muchas veces un
manantial o un arroyo pequeño provee suficiente agua para la
instalación pico hidro.
• La maquinaria pico hidro es pequeña y compacta. Los componentes
pueden ser fácilmente transportadas a sitios remotos y de difícil
acceso.
• Es posible la fabricación local de los equipos. Los principios de
diseño y procesos de fabricación son fáciles de aprender. Eso ayuda
para que ciertos de los costos de los equipos estén acordes con los
niveles económicos actuales.
• Instalaciones pico hidro cuidadosamente diseñadas tienen costos por
Kilovatio menores que instalaciones fotovoltaicas solares o de
viento. Sistema de generación diesel, aunque tengan un costo inicial
menor, resultan más costosos sobre su vida útil debido al alto costo
del combustible.
- 10 -
1.3.1. Principios básicos de una pico hidro2
Figura 1.1 Componentes de un sistema Pico Hidro
Un sistema pico hidroeléctrico aprovecha la potencia de una caída de agua.
La figura 1.1 demuestra el esquema de un sistema pico hidro. Cada uno de
los componentes se describe en mayor detalle a continuación.
La fuente de agua es un arroyo, o a veces un canal de irrigación. Pequeños
caudales también pueden ser derivados de los caudales grandes de los ríos.
Lo importante es que la fuente de agua sea confiable en cuanto al caudal, y
que el agua no sea requerida por otras personas para otros propósitos. Los
ojos de agua son excelentes fuentes, visto que se pueden contar con ellos
2 PICO HIDRO Potencia para Aldeas Un Manual Práctico para Instalaciones de hasta 5
Kw. Phillip Maher y Nigel Smith. Pág. 2.1-2.3 (Página electrónica)
- 11 -
aún en la temporada de sequía, y usualmente su agua es limpia. Esto hace
que la obra de toma sea menos propensa a atascarse con sedimentos y por
ende no requiere frecuentes limpiezas.
• EL agua fluye desde la Fuente hacia la Cámara de Carga. Esta a veces
se dimensiona para formar un pequeño reservorio. Un reservorio puede
ser útil para almacenamiento de agua en caso que el caudal sea
insuficiente en temporada seca.
• El agua fluye desde la Cámara de Carga o reservorio, cuesta abajo por
una tubería larga a la cual se le llama Tubería Forzada. Al final de la
Tubería Forzada el agua sale de una tobera, en forma de chorro a alta
presión.
• La potencia del chorro de agua, a la cual se refiere como la “potencia
hidráulica”, es transmitida al rodete de la turbina y el rodete transforma
la potencia hidráulica en potencia mecánica. El rodete de la turbina tiene
aspas o cucharas que lo hacen rotar cuando reciba el impacto del chorro
de agua. Por la palabra turbina generalmente se entiende el conjunto de
equipos que incluyen el rodete, la tobera, y la carcasa que los rodea y los
protege. El rodete de una turbina Michell Banki estandarizada gira a
996 r.p.m. como velocidad máxima, la turbina es acoplada al
generador. El propósito del generador esa él de convertir la potencia
mecánica giratoria de la turbina en potencia eléctrica.
• Se conecta un controlador electrónico al generador. El controlador
hace que la potencia eléctrica generada corresponda con las cargas
eléctricas que se conectan al sistema. Eso es necesario para evitar que el
voltaje suba y baje. Sin el controlador de carga, el voltaje variaría cada
vez que se prendieran y apagaran las luces y otros dispositivos
eléctricos.
- 12 -
1.3.2. POTENCIA
La potencia se mide en Vatios (W) o kilovatios (Kw.) 1000 W equivalen a
1 Kw. Las instalaciones de potencia Pico Hidro producen potencias
eléctricas máximas de 5 Kw. Cuando se habla de un proyecto hidroeléctrico
es importante distinguir entre los tres tipos de potencia, visto que cada tipo
de potencia tendrá un valor distinto. La potencia del agua (potencia
hidráulica) siempre será mayor que la potencia mecánica y que la
potencia eléctrica. Eso se debe al hecho que, al convertirse la potencia de
una forma en otra, una parte de la potencia se pierde en cada etapa de la
transformación, a como se ilustra en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Pérdidas de potencia
La mayor pérdida usualmente ocurre en la conversión de la potencia
hidráulica en potencia mecánica, cuando el chorro de agua impacta en el
rodete de la turbina. En una instalación bien diseñada y bien construida,
aproximadamente un tercio (30%) de la potencia del chorro de agua se
perderá en esta transformación. Las pérdidas pueden ser aún mucho
mayores en instalaciones mal-hechas. 20% a 30% adicionales se perderán en
el generador en la transformación de la potencia mecánica en electricidad.
Algo de potencia también se pierde en la Tubería Forzada. El agua en
contacto con las paredes internas de la tubería se lentea y pierde fuerza
debido al roce de la fricción. Esta pérdida de potencia se expresa en metros
de columna de agua de pérdida de desnivel. Su valor típicamente es de entre
20% a 30% del desnivel total. Antes de tomar en cuenta estas pérdidas en la
tubería, a la caída o el desnivel se le refiere como el desnivel bruto, después
de restar las pérdidas se le llama desnivel neto.
- 13 -
1.3.3. EFICIENCIA
Eficiencia es la palabra que se utiliza para expresar qué tan buena o mala es
la conversión de la potencia de un tipo a otro. Una turbina que tiene una
eficiencia del 70% convertirá 70% de la potencia hidráulica en potencia
mecánica (los restantes 30% se pierden). La eficiencia del sistema resulta de
la combinación de las eficiencias de todos los procesos en conjunto.
La eficiencia del sistema para la generación de electricidad utilizando
tecnología pico hidro típicamente es de entre 40% a 50%.
• La Carga Mecánica refiere a una máquina la cual se conecta el eje
de la turbina, a menudo por medio de un sistema de poleas, de
manera que se extrae potencia directamente de la turbina. La fuerza
giratoria del rodete de la turbina puede utilizarse directamente para
hacer girar maquinaria tales como molinos de granos, equipos de
carpintería, etc. Aunque se pierda aproximadamente 10 % de la
potencia mecánica en el sistema de poleas, aún así resulta una
manera bastante eficiente de aprovechar la potencia disponible de la
turbina. Con el uso de cargas mecánicas, se aprovecha más la
potencia, visto que no se incurre en las pérdidas correspondientes a
generadores ni a motores eléctricos.
• El sistema de distribución transmite la electricidad desde el
generador hacia las casas de los usuarios. Esta es, en la mayoría de
los casos, una de las partes más costosa del sistema pico hidro.
• Las Cargas de los Usuarios usualmente están conectadas adentro de
las casas. “Carga Eléctrica” es un término general que se refiere a
cualquier dispositivo que utiliza la electricidad generada. Los tipos
de cargas eléctricas que se conectan a un sistema pico hidro
dependen de la cantidad de potencia generada. Se prefieren las
lámparas fluorescentes visto que consumen mucho menos potencia
que las luminarias incandescentes (de filamento). Eso permite que se
conecten más lámparas al mismo generador.
- 14 -
1.4. TURBINA MICHELL BANKI
1.4.1. Introducción3
La turbina Michell Banki es una turbina de acción de flujo transversal y de
admisión parcial, que se utiliza en aquellos proyectos de Pequeñas centrales
Hidroeléctricas donde se aprovecha un salto y un caudal medio para
satisfacer la demanda de un sistema eléctrico, cuyo diagrama de carga diaria
posee un factor de carga inferior a 0,5 su rango de aplicación esta
comprendido dentro del rango de aplicación de la Turbina Francis,
superándola en eficiencia cuando la turbina opera la mayor parte del tiempo
a carga parcial.
El inventor de la turbina de flujo transversal también conocida como turbina
Banki (o Michell- Banki) fue el ingeniero Australiano A.G.M. Michell,
quien obtuvo una patente para esta máquina en 1903. La turbina fue basada
en la teoría de Poncelet, ingeniero francés (1788-1867) quien desarrolló la
clásica rueda hidráulica de eje horizontal. El profesor húngaro Donat Banki
en la ex Alemania Occidental hizo un trabajo extensivo sobre esta máquina
entre 1912 y 1918. A través de una serie de publicaciones especificó que,
para obtener la máxima eficiencia, el ángulo con el cual el chorro golpea al
álabe debe ser tan pequeño como sea posible. Basado en esta suposición
calculó los ángulos de entrada y salida del rotor, ancho del mismo, la forma
del flujo a través de éste, curvatura del álabe, etc.
Consideró todas las pérdidas posibles que ocurren en el inyector y el rotor y
expresó el rendimiento máximo posible como:
3 UNIDAD 6: Facultad de Ingeniería – Laboratorio de Máquinas Hidráulicas. Curso:
“PEQUEÑAS CENTRALES HIDRAULICAS” Pág. 1-3 (Página electrónica)
- 15 -
En el cual D es el diámetro de la turbina y H la altura total.
Sonnek (1923) modificó la teoría de Banki asumiendo un ángulo del álabe
constante e igual a 30º, con lo que la expresión del rendimiento máximo
resultó en:
Desde esa época fueron muchas las investigaciones realizadas sobre esta
turbina a través del tiempo, las cuales han introducido mejoras sustanciales
en la eficiencia de la misma.
1.4.2. Características Generales:
La turbina de Flujo Transversal o turbina Michell-Banki es una máquina
utilizada principalmente para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos.
Basa sus ventajas fundamentalmente en un sencillo diseño y fácil
construcción lo que la hace especialmente atractiva en el balance económico
de un aprovechamiento en pequeña escala. No obstante esta turbina puede
ser utilizada en grandes instalaciones.
Las principales características de esta máquina son las siguientes:
• La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango.
• El diámetro de la turbina no depende del caudal.
• Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas.
• Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe
ajustable.
)2(264.0863.0max H
D−=η
)1(384.0771.0max H
D−=η
- 16 -
1.4.3. Campo de aplicación.
Fundamentalmente su aplicación se destina a la producción de energía en
pequeña escala como se ve en la figura 1.3, en otros casos, su eje se acopla
por correa a otros dispositivos mecánicos y la energía mecánica obtenida se
utiliza directamente en trabajos de taller.
Figura 1.3. Campos de aplicación Fuente: http://www.savoiapower.com/hydrotabla.html
1.4.4. Principio de funcionamiento
La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El
agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica.
El rotor esta compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos los
álabes curvados en forma de sector circular.
El inyector posee una sección transversal rectangular que va unida a la
tubería por una transición rectangular – circular. Este inyector es el que
dirige el agua hacia el rotor a través de una sección que toma una
- 17 -
determinada cantidad de álabes del mismo, y guía el agua para que entre al
rotor con un ángulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento.
La energía del agua es transferida al rotor en dos etapas (ver figura 1.4), lo
que también da a esta máquina el nombre de turbina de doble efecto, y de
las cuales la primera etapa entrega un promedio del 70% de la energía total
transferida al rotor y la segunda alrededor del 30 % restante
Figura 1.4. Etapas turbina
1.4.5. Descripción de una turbina Michell-Banki4
Una vez que el agua hace su entrada, la pala directriz móvil, o distribuidor,
regula la cantidad de fluido que penetra en el interior, según gire sobre su
eje, habilitando una entrada mayor o menor. Además se encarga de
direccionar el flujo para el agua incida sobre el rodete, sobre los primeros
álabes o “paletas” que encuentra en su camino, propiciando así el giro del
4 Comité Ejecutivo de Desarrollo e Innovación Tecnológica.htm (Página electrónica)
- 18 -
mismo. Una vez atravesados estos álabes, el fluido continúa su camino en el
interior y reincide sobre los álabes inferiores, ayudando al giro.
El rodete consta de dos o más discos paralelos (figura 1.5), entre los que se
montan, cerca del borde, unas laminas curvadas que hacen el papel de
álabes, por lo que su construcción artesanal es factible, aunque naturalmente
nunca alcanzarán los rendimientos de las unidades construidas con los
medios técnicos adecuados.
Figura 1.5. Descripción turbina
Un aspecto muy atractivo derivado de la constitución de la máquina y su
forma de funcionamiento consiste en que el follaje, hierbas, lodos, etc. que
durante la entrada del agua se quedan entre los álabes, vuelven a ser
expulsados después de medio giro del rodete con el agua de salida por el
efecto de la fuerza centrífuga. De este modo el rodete tiene un
funcionamiento poco sensible a elementos no deseados, que es una de las
ventajas que posee respecto a otras turbinas.
Es importante que a la hora de diseñar la carcasa se tenga muy en cuenta el
aspecto de aislamiento de los rodamientos respecto al paso del agua. Por
ello la carcasa está preparada con alojamientos y un sistema de
prensaestopas que evita las fugas de forma eficiente.
- 19 -
Excepto el cambio anual de grasa, los cojinetes no requieren ningún trabajo
de conservación.
Obsérvese que la simplicidad de este diseño permite una realización
apropiada del mismo. El elemento principal, el rodete, consta de un par (o
más) de discos en los que se sueldan los álabes, que son de curvatura lineal.
Tanto el rodete como el ingreso de agua se pueden fabricar con láminas de
acero soldadas requiriendo herramientas y técnicas de armado simples, con
lo que cualquier taller podría hacer frente a su construcción.
La forma de instalación como se puede ver en la figura 1.6 puede adoptar
dos disposiciones: Entrada horizontal de agua o entrada vertical del agua:
Figura 1.6. Entradas de agua a la turbina
Fuente: Comité Ejecutivo de Desarrollo e Innovación Tecnológica.htm
- 20 -
1.4.6. Proceso de fabricación5
La turbina Michell-Banki puede construirse con materiales de desecho,
como planchas y tuberías de acero, y de una manera sencilla si se dispone de
un taller suficientemente equipado. En cualquier caso se debe proceder
según el material utilizado, la disponibilidad de un taller con más o menos
medios, y la experiencia de los trabajadores.
A continuación se dará una guía de los procedimientos y métodos que se
pueden emplear para la fabricación de la turbina.
El rodete de la turbina de flujo cruzado está compuesto de dos placas
laterales circulares entre las que se intercalan el eje y los álabes, que suelen
ser numerosos, generalmente 18. Vea figura1.7
Figura 1.7. Rodete de la turbina Banki
Las placas laterales se cortan en forma circular. Si se utiliza el corte
acetilénico manual, para conseguir dicha forma será necesaria la utilización
5 Ccedit (Página electrónica)
- 21 -
de pivotes y aparejos. Seguir la forma curva exterior manualmente es
bastante complicado.
Los álabes se fabrican tomando secciones de tubos de acero (Figura 1.8). En
primer lugar se hace un corte al tubo, creando tramos de tubo con la
longitud deseada (el ancho de la turbina) y posteriormente se realiza el corte
longitudinal de los álabes, de manera que se perfilen con una sección
circular de un ángulo aproximado a 72º.
Figura 1.8. Preparación de los álabes
La entrada de la turbina, está hecha a base de placas (láminas) de acero. Allí
se ha de instalar una válvula de entrada, que cumpliría en cierta medida la
función de la pala directriz, ya que su fabricación puede ser complicada. Su
misión es regular la cantidad de agua de entrada, y con ello la velocidad de
rotación. Puede utilizarse algún tipo de válvula para tubería cerrada,
mientras no sea una válvula de asiento, pues esta genera mucha pérdida de
carga.
También se debe tener una válvula de vaciado de carcasa, con el fin de
eliminar los restos de agua que puedan quedar antes de la realización de una
operación de mantenimiento.
Una vez que se tienen las piezas se procede al montaje. En principio la
unión de los álabes se puede realizar de dos formas diferentes.
Se puede optar por la soldadura directa de los álabes a la placa lateral. Ello
lleva asociada la necesidad de plantillas para facilitar el correcto
posicionamiento. A la vez, será necesario el uso de aparejos que
- 22 -
proporcionen la sujeción en forma alineada de las piezas durante la
soldadura. Se puede reducir en gran medida esta dificultad de montaje
realizando ranuras o bien muescas en las placas laterales en las que encajen
los álabes. Ello lleva un mayor esfuerzo en la preparación y creación de
dichas ranuras curvas, pero es compensado por facilitar los registros de las
piezas durante el montaje y soldadura. En el caso de que se opte por realizar
ranuras, la soldadura puede ser externa, facilitando mucho el montaje.
Antes de proceder a la soldadura se ha de comprobar que los álabes no estén
deformados, y una vez encajados en las placas, comprobar la
perpendicularidad mediante una escuadra.
Tras el montaje se debe proceder al equilibrado de la turbina. Se colocan los
soportes de giro con los rodamientos y cojinetes, tal y como quedaría el
montaje final y se procede a girar manualmente la turbina dejándola
deslizar. Si existe un defecto en el equilibrado, se irá parando, y al final
habrá un vaivén, un balanceo.
Con el fin de asegurar si realmente está desequilibrado, se ha de repetir
varias veces la prueba, marcando el lugar final en el que queda estacionada
la rueda.
La parte que queda inferior está más cargada que la superior. Para equilibrar
se debe añadir masa en la placa lateral en la parte que quedó arriba. Por
medio de imanes de diferentes tamaños se puede aproximar de forma muy
cómoda la cantidad de masa a añadir. Posteriormente sólo será necesario
pesar los imanes añadidos y soldar ese mismo peso a las placas.
Con esto se soluciona el equilibrado estático. El equilibrado dinámico, no se
puede realizar sin equipamiento adecuado, por lo que se deberá trabajar en
forma experimental.
- 23 -
1.4.7. Cálculos para la fabricación:6
Una vez presentado el método de fabricación, se deben determinar los
tamaños de cada elemento con el fin de satisfacer una determinada
demanda. De aquí en adelante se describe una propuesta concreta de
realización con los s pertinentes de dimensiones.
Para el diseño se recomienda utilizar una turbina de 30 cm. de diámetro
exterior ya que este diámetro resulta adecuado para la mayoría de saltos.
Si se expresa la altura del salto (H) y el diámetro exterior (De) en metros, la
velocidad de rotación en r.p.m. de la turbina (n) viene dada por la siguiente
expresión:
)3(85,39 2
1
De
HN=
en donde:
N es el número óptimo de revoluciones en RPM
De es el diámetro exterior del rodete, en metros
H es el salto neto aprovechable
Cuando se diseña la turbina para que gire a una velocidad sincrónica, el
diámetro exterior del rodete se determina despejándolo de la fórmula
anterior. Cuando la transmisión entre la turbina y el generador es a través de
un sistema de bandas o engranajes se supone el diámetro del rodete y se
aplica la fórmula anterior.
6 Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos
centrales hidroeléctricos. Volumen 1. OLADE
- 24 -
Podemos hacer la multiplicación hacia el generador, que debe girar a 1800
rpm (según se determine dependiendo del tipo de generador) por medio de
correas trapezoidales, una caja de cambios de moto, etc.
El ancho de la turbina (b) se determinará en función de las rpm calculadas,
el caudal Q en m3/seg. (1 m3 = 1000 litros) y la altura H en metros, según la
siguiente fórmula:
)4(..036.0
H
Qnb =
Para casos de pequeña potencia (1 o 2 Kw.) el rotor se puede construir con
placas laterales de 3 mm de espesor, con cubos de refuerzo para el eje
unidos mediante soldadura. El rotor lleva de 18 a 24 álabes también de 3
mm de espesor.
Los álabes de esta turbina se pueden fabricar con tubos de acero de 10 cms
de diámetro, teniendo cada uno una sección de 72º como fue indicado
anteriormente.
1.4.8. Instalación
A continuación se presentan dos posibilidades de instalación para la toma de
agua cuando se tiene una altura muy baja (Figura 1.9):
Figura 1.9 Tipos de instalación
- 25 -
En el caso de mayores alturas de salto, es conveniente derivar el agua
mediante una tubería forzada.
Figura 1.10 Disposición de tubería forzada cuando tenemos saltos elevados
1.5. EL GENERADOR
También llamado alternador o dínamo, es la parte del equipo que recibe el
giro de la turbina y transforma la energía mecánica del eje de la turbina,
energía eléctrica. Existen varios tipos de generadores, como:
• Generador síncrono. De mayor aplicación en sistemas pico hidros,
puede ser de eje horizontal o vertical.
• Generador de inducción. Llamado también motor como generador.
Se utiliza para pequeñas potencias, hasta 10 Kw. Es una alternativa
interesante, por su bajo costo.
• Generador de imanes permanentes. Se utiliza en sistemas pequeños,
pico generadores, menos de 1 Kw.
• Alternador automotriz. Es otra alternativa para la electrificación
rural, especialmente para cargas de baterías.
- 26 -
1.5.1. Generación en Corriente Continua
El sistema más económico, por no requerir de elementos auxiliares ni ser
muy complicada su instalación, puede ser utilizar un alternador de
automóvil, generando en 12 Volts y cargar baterías para luego alimentar
focos de auto instalados en lugares convenientes de la casa.
Si utilizamos esta opción deberemos asegurarnos que el alternador posea su
regulador de voltaje y que gire a una velocidad suficiente para obtener la
tensión adecuada. Una buena velocidad es 1500 rpm. Para lograr esta
velocidad podemos trabajar con los diámetros de las poleas que conectan el
eje de la turbina con el eje del alternador. Primero calculamos la velocidad
de giro de la turbina según la fórmula escrita anteriormente. Supongamos
que nos da 250 rpm, para que el alternador gire a 1500 rpm, la polea de la
turbina debe ser 6 veces más grande en diámetro que la del alternador.
Se pueden agregar según la disponibilidad de recursos, medidores de
voltaje, indicador de carga, etc.
1.5.2. Generación en Corriente Alterna
También se puede generar de manera simple en corriente alterna, pero
solamente para iluminación, utilizando como generador un motor eléctrico
monofásico o trifásico.
Para esto se deben utilizar los motores denominados de “jaula de ardilla”
que son los motores que comúnmente se encuentran en los artefactos como
lavarropas, bombas de agua, ventiladores, etc.
- 27 -
1.5.3. Motor utilizado como generador7
Los generadores síncronos son las máquinas más utilizadas en los sistemas
de generación de electricidad. Sin embargo en los últimos años la utilización
de los generadores de inducción o generadores asíncronos se ha
incrementado especialmente en pequeños sistemas hidráulicos de
generación de energía.
El uso de motores como generadores, permite reducir los costos en la
implementación de los pequeños sistemas hidroenergéticos y así facilitar el
acceso a la electricidad en comunidades aisladas.
Sus ventajas:
• Se encuentran fácilmente en el mercado local.
• Se puede adquirir en el mercado por un tercio de costo de su equivalente
síncrono.
• Los motores de inducción son robustos y tienen una construcción simple,
no tiene devanados, anillos deslizantes en su rotor.
• Las máquinas de inducción son completamente cerradas, de modo que
aseguran la protección contra el polvo y el agua.
Sus desventajas:
• No siempre están disponibles con los rangos de voltaje adecuados para ser
útiles como generadores, por lo que podría ser necesario hacer
modificaciones en la conexión de los devanados o, en casos muy extremos,
rebobinar.
• A diferencia del generador síncrono, que puede ser suministrado listo para
su uso, la máquina de inducción no trabajará si no se le conecta un “banco”
7 Manual de Mini y Micro centrales hidráulicas. pdf ITDG-LA
- 28 -
de condensadores de un valor adecuado a calcular. Este permite darle la
excitación necesaria para iniciar la generación de energía.
• Cuando se trata de potencias de generación limitadas, como es el presente
caso, y cuando se requiere arrancar motores, resulta más fácil arrancarlos
como generadores síncronos que con generadores de inducción.
Para utilizar un motor como generador no es necesario realizar ninguna
modificación interna, solamente se realiza un conexionado exterior,
conectando capacitores en “paralelo” con los bornes del motor.
1.6. TIPOS DE REGULACIÓN (8)
La regulación de la unidad hidrogeneradora es necesaria en un sistema de
potencia aislado para garantizar la continuidad y la calidad de los
parámetros fundamentales, frecuencia y tensión, que deben mantenerse
dentro de límites estrechos alrededor de valores nominales establecidos. En
estos sistemas de pequeña potencia frecuentemente se producen variaciones
de caudal y de carga importantes, que afectan la velocidad de rotación del
grupo turbina-generador, ya que esta depende del equilibrio entre la
potencia hidráulica que entra a la turbina y la potencia eléctrica producida
por el generador. Las variaciones de velocidad se traducen en variaciones de
la frecuencia la tensión a la salida del generador.
Por esta razón es importante la regulación automática de estos parámetros,
mediante un sistema con respuesta rápida, confiable y de bajo costo.
Se distinguen tres tipos de regulación de velocidad.
- 29 -
1.6.1. Regulación de velocidad por caudal.
Cuando se varía la potencia hidráulica de entrada mediante la variación del
caudal de agua suministrada a la turbina.
1.6.2. Regulación por carga complementaria.
Cuando se mantiene la generación de potencia constante manteniendo el
caudal constante y se varía una carga secundaria en bancos de resistencias
(carga lastre) de manera que la potencia consumida sea igual a la generada.
1.6.3. Mediante la combinación del control por caudal y por carga
complementaria.
El método de regulación por caudal de agua es, en general, el método más
empleado en la regulación de unidades hidroeléctricas. Tiene la ventaja de
que el consumo de agua se ajusta al necesario en dependencia de la potencia
demandada, lo que permite el ahorro de este recurso sobre todo cuando hay
posibilidades de almacenamiento o en los ríos con poco caudal de agua.
Tiene como desventaja, en comparación con la regulación por carga, que la
respuesta dinámica del sistema de regulación ante una variación instantánea
de la carga es más lenta.
El método de regulación de la frecuencia por carga complementaria tiene la
ventaja, en comparación con la regulación por caudal, que la respuesta
dinámica del sistema de regulación ante una variación instantánea de la
carga es más rápida, toda vez que no interviene en el comportamiento del
lazo el tiempo transitorio hidráulico. Esto hace innecesario la utilización de
- 30 -
un volante de inercia, el cual es un elemento fundamental cuando se utilizan
reguladores para el control sobre el flujo. Pero tiene la gran desventaja del
gasto innecesario de agua en la generación de la potencia disipada en al
carga complementaria desperdiciando gran parte de la energía generada, por
lo que se limita su utilización a instalaciones con suficiente agua disponible
siempre y cuando no interese o no sea significativo el exceso de consumo de
agua. También hay que tener en cuenta que los bancos de resistencias de
carga complementaria resultan más costosos en instalaciones de gran
potencia.
El control de la disipación de energía en la carga complementaria se puede
lograr de diferentes formas, mediante la utilización de tiristores o triacs
conectados en serie con las resistencias, o mediante la utilización de bancos
de resistencias de conexión escalonada.
El método de regulación combinada de la frecuencia por gasto de agua y por
carga complementaria, consiste en controlar la frecuencia por carga, de
manera rápida manipulando una carga complementaria, limitada a un
determinado por ciento de la carga máxima, mientras que de manera más
lenta, mediante el caudal de agua se ajusta la potencia de entrada a la turbina
en correspondencia con el nivel de potencia demandada al generador. Dada
las particularidades de los consumidores, la carga complementaria puede
implementarse de modo que represente entre el 20 y 30 % de la potencia
nominal del generador. De esta manera se aprovechan las ventajas de ambos
métodos, logrando una buena regulación sin demasiado gasto de agua,
cuestión de suma importancia en el caso de los ríos de poco caudal, sobre
todo en época de sequía, y además garantiza un menor impacto en el medio
ambiente al disminuir el gasto excesivo de agua de su curso natural.
- 31 -
CAPITULO II
DISEÑO DE LA OBRA CIVIL
2.1. Datos técnicos
2.1.1. Bocatomas.- Son obras hidráulicas cuya función es regular y captar
un determinado caudal de agua, estas bocatomas nos permiten tomar el agua
de los ríos o de los arroyos y conducirla aprovechando la fuerza de
gravedad.
o Sirven para desviar parte del caudal del río, arroyo o vertiente
que será utilizado por el sistema pico Hidro.
o Garantizar la captación de una cantidad constante de agua
o Impedir, hasta donde sea posible, el ingreso de materiales
sólidos y flotantes, haciendo que estos sigan el curso del río o
facilitando la limpieza.
o Para su construcción se usa estructuras de cemento o una
combinación de cemento más madera, también en zonas
remotas se utilizan ramas, rocas y piedras.
El agua ha ser utilizada en este proyecto proviene de una vertiente natural,
que la mayor parte del año mantiene su caudal. Por lo que lo único que se ha
realizado es una pequeña bocatoma para guiar el agua hacia el canal de
- 32 -
conducción. Esta bocatoma esta realizada por su ubicación geográfica con
tierra y rocas del mismo terreno, lo que permite obtener el máximo de
provecho de todo el caudal disponible.
Adicionalmente a esta vertiente existen otras, que nos permitirán tener un
caudal de agua apropiado a nuestras necesidades, de igual manera se le
desviara hacia nuestro canal de conducción.
2.1.2. Canal de Conducción.- El canal de conducción es una estructura
hidráulica artificialmente construida, que en razón de su pendiente
puede conducir agua de un lugar a otro. En nuestro caso, especifico
se trata de conductos abiertos de sección irregular propia del terreno.
o Sirve para la conducción del agua desde la bocatoma a la
cámara de carga.
o Pueden ser de tierra, revestidos con cemento, tubo canal en
PVC u otro material.
El canal de conducción del presente proyecto está constituido por un canal
de tierra y rocas de aproximadamente 200 metros desde la toma de agua a
ser utilizada. Dicho canal había sido utilizado para llevar el agua hacia la
propiedad en donde existían piscinas para la crianza de truchas, por tal razón
lo único que restaría hacer en este canal es la restitución de su cauce original
ya que en estos momentos el agua se halla desviada hacia una quebrada.
2.1.3. Desarenador y cámara de carga.- En épocas lluviosas, los arroyos
acarrean abundantes materiales sólidos, tanto de fondo como
suspensión, debido a la erosión que provocan en todo su recorrido,
Por ello es necesario contar con desarenadores o decantadores,
particularmente en sistemas pico Hidro. Las partículas de diámetro
superior a 0.2 mm. ocasionan daños en la turbina por lo que deberán
ser retenidas y eliminadas al momento
- 33 -
o Evitan que las piedras o arenilla que trae el agua, ingrese a la
tubería de presión y a la turbina.
o Aseguran que la tubería de presión este siempre llena,
evitando el ingreso de aire
El desarenador, combinado con cámara de carga, es de hormigón armado
con muros de 200 mm de espesor. Sus dimensiones son: largo 1.5 m, ancho
1,0 m, y profundidad máxima 1,3 m. La cámara de carga es 1,8 x 2 m, con 1
m de profundidad.
El Desarenador como la cámara de carga deben cumplir los siguientes
principios:
o Deben tener una longitud y un ancho adecuados para que los
sedimentos se depositen, sin ser demasiado voluminosos o caros
o Deben permitir una fácil eliminación de los depósitos.
o La eliminación de sedimentos a través de la compuerta debe hacerse
cuidadosamente para evitar la erosión del suelo que rodea y soporta
la base de la tubería y del depósito
o Se debe impedir la turbulencia del agua causada por cambios de área
o recodos que harían que los sedimentos pasen hacia la tubería de
presión.
o Tener capacidad suficiente para la acumulación de sedimentos
Los accesorios son: compuerta para alimentación de desarenador, compuerta
de alimentación, vertedero y canal de demasías y reja de acero antiresiduos
2.1.4. Tubería de presión.- Son tuberías que transportan agua bajo
presión, hasta la turbina. Debido a que el costo de esta tubería puede
representar gran parte del presupuesto de toda la pico central, es
prioritario, optimizar nuestro proyecto para reducir no sólo los
costos de mantenimiento sino la inversión inicial. Para que dichos
costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar los soportes y
los anclajes de la tubería en pendientes estables y encontrar buenos
- 34 -
cimientos. No deberá haber peligro de erosión por desprendimiento
en las laderas, pero si haber acceso seguro para hacer los trabajos de
mantenimiento y reparación.
o Transporta el agua desde la cámara de carga hasta la casa de
máquinas.
o Puede ser construida en acero, PVC o polietileno.
2.1.4.1. Tuberías de acero comercial.- El acero comercial ha sido uno de
los materiales más usados para tuberías de presión. Sus diámetros y
espesores son variados. Tienen un factor de pérdida por fricción
regular y si están protegidas por una capa de pintura u otra
protección pueden durar hasta 20 años. Además, en resistencia a
impactos son relativamente pesadas, pero en caso de ser necesario
pueden ser fabricadas en longitudes adecuadas para su transporte e
instalación. Se unen mediante bridas, soldadura o juntas mecánicas.
Hay tres consideraciones fundamentales cuando se escojan las tuberías a
comprar para la tubería forzada:
o El material
o El diámetro interior – depende de la longitud total y el caudal.
o La presión nominal – depende del desnivel neto
Para el presente proyecto se utilizan tubos de acero, de los que se utilizan en
las petroleras, lo que nos permitirá garantizar un buen desempeño en las
condiciones que se proponen en este trabajo de tesis, más adelante se
explica el diseño y calculo de la tubería forzada.
2.1.5. Válvulas para tuberías de presión.- Las válvulas controlan el paso
de agua en la tubería de presión y las hay de diferentes tipos, para el
- 35 -
caso particular nuestro nos limitaremos tan solo a las válvulas de
compuerta por que son las más usadas.
2.1.5.1.Válvula de compuerta.- Una válvula de compuerta consiste
básicamente de un disco metálico que sube y baja a voluntad y que
está ubicado en el cuerpo de la válvula
2.1.6. Casa de Máquinas
Es el ambiente donde se instalan todos los equipos de generación y control.
Asimismo, se evacua el agua por el canal de descarga.
2.1.7. Redes de Transmisión.
Se encargan de transportar la energía eléctrica, desde la casa de máquinas
hasta el usuario final. Cuando la casa de máquinas se encuentra lejos de la
comunidad (más de 800 metros) es necesario la instalación de una red en
media o alta tensión, en este caso se utilizan transformadores. La energía
eléctrica se transmite mediante tendido aéreo con postes de madera,
alambres y accesorios. El uso de los postes de madera contribuye a
disminuir los costos para la instalación de pico centrales hidráulicas.
- 36 -
CAPITULO III
PARÁMETROS DE SELECCIÓN Y DISEÑO MECÁNICO
3.1. DATOS TÉCNICOS.
Para diseñar una turbina Michell Banki se requieren determinar los datos del
salto neto aprovechable y el caudal máximo que fluirá por ella. En algunos
proyectos este caudal corresponde al caudal mínimo que se dispone,
obtenido del estudio hidrológico.
De acuerdo a las experiencias obtenidas con la turbina Michell Banki se
deduce que puede operar con saltos máximos comprendidos entre 20 y 200
metros, con eficiencias máximas comprendidas entre 80 y 85 % y puede
generar potencias máximas comprendidas entre 0.5 y 150 Kw.
- 37 -
3.2. DISEÑO Y CÁLCULOS HIDRÁULICOS8
Los cálculos hidráulicos de una turbina se realizan para determinar las
dimensiones de sus elementos principales, en base al diseño que caracteriza
a cada tipo de turbina.
El diseño de la turbina Michell Banki se basa en que el inyector acelera y
regula el flujo de agua que ingresa a la turbina y orienta el chorro de sección
rectangular hacia los álabes del rodete, dándole un primer impulso, para
luego atravesar el interior del rodete, dar un segundo impulso a los álabes,
antes de salir hacia la descarga de la turbina.
Esta máquina no depende del caudal, esta premisa facilita el diseño ya que
otorga al diámetro el carácter de parámetro independiente.
Esto se afirma por el hecho de que esta turbina puede trabajar dentro de un
amplio rango de velocidades de rotación. De acuerdo a esto el diámetro
podrá ser seleccionado en primer término.
El diseño que se propone tiene 30 cms. de diámetro exterior (De = 30 cms.)
y resulta adecuado para la mayoría de saltos, la velocidad de giro de este
rodete oscilara entre 200 y 700 r.p.m.
Para diseñar la turbina para este proyecto una vez inspeccionado el sector
se obtuvo como parámetros de diseño los siguientes datos:
Salto neto aprovechable H = 15mts.
Caudal máximo diseño Q = 0.06 m3 / seg.
Diámetro exterior rueda De = 0.3 m
Aceleración gravedad g = 9.8 m / seg2
8 Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos
centrales hidroeléctricos. OLADE (Pág. 11)
- 38 -
Este sistema pico Hidro. requiere de un caudal de agua y una diferencia de
altura (conocida como salto) para producir potencia útil. Se trata de un
sistema de conversión de energía, es decir, se toma energía en la forma de
caudal y salto y se entrega energía en forma de electricidad o energía
mecánica en el eje. Ningún sistema de conversión puede entregar la misma
cantidad de energía útil como la que absorbe, pues una parte de la energía se
pierde en el sistema mismo en forma de fricción, calor, ruido, etc.
La ecuación de conversión es:
Potencia de entrada = potencia de salida + pérdidas
O también:
Potencia de salida = potencia de entrada x eficiencia de conversión.
La ecuación de arriba se expresa por lo general de una manera ligeramente
diferente. La potencia de entrada, o potencia total disponible en el sistema
hidráulico, es la potencia disponible, Pdisp. La potencia útil entregada es la
potencia neta, Pneta. La eficiencia total del sistema se representa por ηo
Pneta = Pdisp x ηo Kw
La potencia disponible es igual al salto disponible (hdisp) multiplicado por el
caudal (Q) y también multiplicado por un factor de 10, obteniéndose la
ecuación fundamental de potencia hidráulica:9
Pneta= 10 x hdisp x Q x ηo Kw (5)
Donde el salto está en metros y el caudal en metros cúbicos por segundo.
Esta simple ecuación es la base de todo trabajo de diseño de sistemas
hidroenergéticos, en donde es importante usar las unidades correctas.
La energía liberada por un cuerpo que cae es su peso multiplicado por la
distancia vertical recorrida. La fuerza que ejerce el agua es el producto de su
masa (m) y la aceleración (g). La distancia vertical es el salto (hdisp).
9 Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Pdf (página electrónica)
- 39 -
Energía liberada = m x g x hdisp joules (6)
La masa de agua es su densidad (ρ) por su volumen (V), de modo que:
Pot. Disponible (Pdisp) = ρ x Q x g x hdisp Joules/seg o watts (7)
Se considera que el agua tiene una densidad de 1000 kg/m3 y la aceleración
de la gravedad constante de 9.8 m/s2. La potencia producida en la turbina
será mucho menor que la potencia disponible debido a las pérdidas por
fricción en la tubería y en la turbina. La potencia de salida del generador es
menor nuevamente debido a la ineficiencia del sistema de transmisión y
generador; más aún, las pérdidas en el transporte de la energía harán al final
que el usuario reciba alrededor de la mitad de la potencia disponible del
sistema. La eficiencia total del sistema (ηo) en realidad vacía entre 0.4 y 0.6.
la potencia recibida por el consumidor, o potencia neta, Pneta, es:
Pneta = ηo x ρ x Q x g x hdisp Watts
Pneta = ηo x 1000 x Q x 9.8 x hdisp Watts
Pneta = ηo x Q x 9.8 x hdisp Kw (8)
La potencia neta se estima a menudo en una forma rápida asumiendo que ηo
es 0.5 de modo que redondeando:
Pneta(estimada) = 5 x Q x hdisp (9)
Una vez que sabemos como determinar la potencia calculamos con los
valores ya conocidos:
Pneta(estimada) = 5 x Q x hdisp
Pneta(estimada) = 5 x 0.06 lt/seg x 15
Pneta(estimada) = 4.5 Kw.
Se observa que la potencia es de 4.5 Kw. Que esta dentro de un rango
aceptable si consideramos que nuestra propuesta es la generación de 5 KW.
- 40 -
Con los datos que conocemos hallamos el número de revoluciones óptimas
con la siguiente ecuación:
)10(85.39 2
1
De
HN =
Número óptimo de revoluciones en RPM
30.0
)15(85.39 2
1
=N
rpmN 40.514=
3.2.1. Diagramas de velocidad
Los perfiles de los álabes del rodete de una turbina, se determina en base a
los diagramas de velocidad en cada punto del rodete. Ver figura 3.1. Para
determinar estos diagramas, es necesario definir la velocidad de salida del
agua del inyector, la que se determina en base a la ecuación de Bernoulli
aplicada entre la superficie del reservorio, donde la velocidad del agua es
aproximadamente cero, y a la salida del inyector.
)11(22
22
HiHtzig
CiPizo
g
CoPo∆+∆+++=++
γγ
En donde:
o Co y Ci, representan la velocidad de una partícula de agua en la
superficie del reservorio y en la salida del inyector, respectivamente
o Po y Pi, representan las presiones en la superficie del reservorio y en la
salida del inyector, respectivamente. En este caso ambas presiones se
- 41 -
pueden considerar iguales a la atmósfera cuando la descarga de la
turbina se realiza sin tubo de succión.
o Zo y zi, representan los niveles topográficos, en la superficie del
reservorio y la posición del inyector, respectivamente, y su diferencia es
igual al salto bruto.
o γ y g, representan el peso específico del agua y la aceleración de la
gravedad.
o Ht∆ , es la pérdida de presión por efecto de la fricción del agua con las
paredes de la tubería de presión.
o Hi∆ , es la pérdida de presión por efecto de la fricción del agua con las
paredes del inyector.
Con todas estas consideraciones se determina que la velocidad del agua a la
salida del inyector es:
)12(21 ghH
HiCi
∆−=
Donde H es el salto efectivo o neto de la central, obtenida de la diferencia
entre el salto bruto y las pérdidas de presión en la tubería. Asimismo, se
define Kc, como el coeficiente de velocidad del inyector representado por:
)13(1H
HiKc
∆−=
Con lo cual la velocidad de salida del agua del inyector queda expresada
por:
)14(2ghKcCi =
Antes de continuar con el diseño hidráulico de esta turbina dedicaremos
algunas palabras al coeficiente de velocidad del inyector.
Este coeficiente de velocidad Kc afecta a la velocidad absoluta de entrada y
tiene en cuenta las pérdidas que se generan en el escurrimiento dentro del
- 42 -
inyector. De acuerdo a esto se puede decir que el coeficiente kc afectará de
manera directa al rendimiento hidráulico de la turbina.
Cuando kc se aleja de la unidad decreciendo su valor (lo que equivale a un
inyector ineficiente) se hace necesario un incremento en el ángulo de
admisión de la turbina.
En forma práctica Kc posee valores comprendidos entre 0,97 y 0.98.
3.2.2. De la Velocidad del agua a la salida del inyector
Kc = 0.98
mxsegmxCi 15/8.9298.0 2=
Ci = 16.8 m / seg
La velocidad del agua a la salida del inyector es igual a la velocidad de
ingreso del agua al rodete.
C2 = velocidad de ingreso del agua al rodete.
Por lo tanto: Ci = C2
Este chorro de agua a su vez se orienta hacia el rodete con un ángulo
promedio denominado α2, el cual posee valores prácticos que se encuentran
alrededor de los 16 grados.10
También es conocido que en las turbinas de acción, la velocidad se expresa
por:
)15(222 αCosCKuU =
10 UNIDAD 6: Facultad de Ingeniería – Laboratorio de Máquinas Hidráulicas. Curso: “PEQUEÑAS CENTRALES HIDRAULICAS” Pág. 9 (Página electrónica)
- 43 -
En donde Ku es el coeficiente de velocidad tangencial que en el caso de
las turbinas de acción poseen un valor aproximado a 0,5.
222 αCosCKuU =
°= 16/8.165.02 CosxsegmxU
segmU /07.82 =
Con las velocidades halladas se determina la velocidad relativa.
)16(2cos)2(122 2 αKuKuCW −−=
16cos)5.02(5.01/8.162 2−−= segmW
segmW /31.92 =
Una vez determinadas las velocidades se concluye la construcción del
diagrama de velocidades hallando el valor de β2, como se muestra en la
figura 3.1, en la entrada del rodete.
Figura 3.1. Gráfico de velocidades
- 44 -
En el interior del rodete, se cumple que los triángulos de velocidades son
iguales debido a que:
U1 = U’1
C1 = C’1
α1 = α ‘1
β’1 =180- β1
Por lo tanto se llega a la conclusión de que:
β’1 = β = 90º
A la salida del agua del rodete, se forma un diagrama de velocidades en el
que:
U’2 = U2 = Ku C2 cos α2
U’2 = U2 = 0.5 x 16.8 m/seg x cos 16°
U’2 = 8.07 m/seg
β2 = 180° – β’2
β’2 = arc sen )17()2)2(1(
2
212
−− α
α
CosKuKu
Sen
β’2 = arc sen
−− 212 )16)5.02(5.01(
16
Cos
Sen
β’2 = arc sen
55.0
28.0
β’2 = 30.6°
La velocidad relativa estaría expresada por:
)18(22' WxKfW =
En donde Kf es el coeficiente de velocidad relativa que expresa la
pérdida por fricción del agua con los álabes del rodete, y su valor quede
aproximarse a 0,98.
- 45 -
W’2 = 0.98 x. 9.31 m /seg
W’2 = 9.1 m /seg
Con estas velocidades se obtiene la velocidad absoluta del agua a la salida
del rodete, expresada por:
)19()1(222)2)2(1(22' 2222 KuKuKfCosKuCosCosKuKuKfCC −−+−−= ααα
5.0)5.01(1698.02165.0)16)5.02(5.01()98.0(8.162' 2222 −−+−−= CosxCosCosC
55.0/8.162' segmC =
segmC /26.92' =
El ángulo de salida con respecto a la tangente del rodete se obtiene con la
siguiente expresión:
)20())2((2cos
)2cos)2(12'2'
222
2
−−−+
−−=
KfKuKfKuKuKf
KuKusenKfsenarc
α
αβα
°=
−−−+
−−=
892'
)98.0)5.02()98.0(5.0(16cos5.0)98.0(
)16cos)5.02(5.013098.02'
222
2
α
αsen
senarc
Todas estas velocidades se pueden expresar en forma práctica cuando se
definen las constantes. Por ejemplo, si se supone un ángulo promedio α2
igual a 16º, un coeficiente de velocidad Kc igual a 0,98 un coeficiente de
velocidad tangencial Ku igual a 0,5 y un coeficiente de velocidad relativa Kf
igual a 0.98, se obtienen las siguientes expresiones practicas:
C2= 4,34 H C2= 4,34 15 C2= 16.8
U2= 2,09 H U2= 2,09 15 U2= 8.09
W2= 2,40 H W2= 2,40 15 W2= 9.29
W’2= 2.35 H W’2= 2.35 15 W’2= 9.10
β’2= 29,83º ≈ 30º
β1= 90º
- 46 -
Como podemos observar los diagramas de velocidad solo dependen del
salto y los ángulos son independientes de las condiciones de salto y caudal.
Podemos determinar la eficiencia hidráulica de la turbina ŋh, aplicando la
ecuación general de las turbinas:
)21()1()1(2cos22 2 KfKuKuKCh +−= αη
Además de la eficiencia hidráulica, debemos determinar la eficiencia
volumétrica, las pérdidas por choque y las pérdidas mecánicas.
En el caso de las turbinas Michell Banki su eficiencia puede alcanzar el 82
% cuando se obtienen buenos acabados en su fabricación.
3.2.3. Geometría del Inyector11
Se conocen deferentes geometrías de inyector para Turbinas Michell Banki,
varias de ellas se muestran en la figura No. Se puede observar que algunas
poseen un álabe de compuerta, otras un álabe directriz con diferentes
geometrías y en algunos casos se diseña el inyector sin álabe de regulación
Para definir la geometría del inyector es necesario considerar en el diseño
una buena conducción y aceleración del flujo de agua, así como también una
buena orientación y regulación de este flujo hacia los álabes del rodete. La
única dimensión que varía en función del salto y caudal con que se diseña la
turbina es el ancho del inyector, el cual se calcula con la fórmula:
)22(22)( απ SengHKcKoeZDep
QB
−=
en donde:
11 Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos centrales hidroeléctricos. OLADE (Pág. 14)
- 47 -
B Ancho interno del inyector expresado en metros
Q caudal máximo que fluirá por la turbina en m3/seg
P factor de arco de admisión, normalmente vale 1
e espesor de los álabes del rodete expresado en metros
Z número de álabes
Ko porcentaje de la circunferencia exterior del rodete por donde ingresa
el agua.
Para determinar el ancho del inyector se utiliza la siguiente fórmula
práctica:
m
segmxB
83.0
/06.096.0 3
=
.7.6
067.0
cmB
mB
=
=
3.2.4. Geometría del Rodete
La geometría del rodete se determina en base a los ángulos obtenidos de los
diagramas obtenidos anteriormente, así tenemos que la relación del diámetro
interno Di, con respecto al diámetro externo De, se expresa por:
)24(2cos2
)1(2cos41)12cos2(22
22
α
α
Ku
KuKuKu
De
Di −−+−=
Considerando que α2 igual a 16° y Ku igual a 0,5, se obtiene el diámetro
interno de la siguiente forma:
Di = 0.66 De (24 a)
)23(96.0
HDe
QB =
- 48 -
3.2.4.1. Diámetro interno:
El diámetro interno nos permitirá determinar los diferentes valores que
necesitamos para el diseño del rodete en sí, para ello debemos observar el
plano del rodete.
Di = 0.66 De
Di = 0.66 x 0.3 mts.
Di = 0.20 mts.
3.2.4.2. Radio de curvatura de los álabes.
El radio de curvatura r, de los álabes del rodete se expresa en función del
diámetro del rodete y del ángulo del álabe llamado β’2. se tiene la siguiente
ecuación:
)25(12cos4
2
' De
DiDer −=
β
Sustituyendo los valores conocidos, podemos expresar en forma práctica:
r = 0.163 De (25 a)
Entonces determinamos el radio de curvatura de nuestros álabes:
r = 0.163 x 0.3 mts.
r = 0.05 mts.
- 49 -
3.2.4.3. Ángulo de curvatura de los álabes
El ángulo de curvatura de los álabes del rodete Ø, se obtiene con la fórmula:
)26(2'
2'cos2
β
βφ
senDe
Diarctg
+=
β’2 = 30°
Di = 0.20 mts.
De = 0.30 mts.
°+
°=
3030.0
20.0
30cos2
senarctgφ
17.1
87.02 arctg=φ
°= 27.73φ
Por datos conocemos que cuando α 2 es igual a 16° el ángulo Ø tiene un
valor de 73°.
Con estas dimensiones se define el perfil del rodete para un diámetro
exterior supuesto o calculado.
A continuación presentamos una tabla con las dimensiones del perfil del
rodete considerando diferentes diámetros:
COTA
(mm.)
DIÁMETRO DEL RODETE - EN mm
300 400 500 600
Di 100 133 167 200
Rc 110 147 182 220
R 49 65 82 98
Tabla 3.1 Dimensiones del perfil del rodete Fuente: Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos
centrales hidroeléctricos. OLADE
- 50 -
3.2.4.4. Carcasa y tapas laterales de la carcasa
La carcasa y las tapas laterales son fabricados en planchas de acero
estructural, las cuales irán soldadas o empernadas entre si según convenga,
como se indican en los planos (Anexo plano). Se cortarán las planchas a las
medidas indicadas y luego rectificadas con las medidas adecuadas al rodete.
Estas tapas y carcasas no están sometidas directamente a la presión del
agua debido a que el agua es dirigida hacia el rodete por el inyector, una vez
que el agua para por las dos etapas de la turbina, es desalojada a la descarga,
la misma que estará construida del mismo acero estructural
3.3. DISEÑO DE LA TUBERÍA FORZADA
La tubería forzada es simplemente un tubo largo que se llena de agua. El
peso del agua en el tubo proporciona la presión en la tobera requerida para
girar la turbina.
3.3.1. Selección de la tubería forzada
Muchas veces la tubería forzada es la parte mas cara del proyecto pico hidro
por lo tanto se selecciona con cuidado.
Hay tres consideraciones fundamentales cuando se escogen las tuberías a
comprar para la tubería forzada:
• el material
• el diámetro interior.- depende de la longitud total y el caudal
• la presión nominal.- depende del desnivel neto.
- 51 -
Figura 3.2. Presión a diferentes alturas
3.3.2. La presión nominal 12
Se diseña la tubería forzada para conducir el agua hacia la turbina de manera
segura y eficiente. Entre mas alta la presión, se requiere tener la pared más
gruesa.
Las presión que existe en cualquier punto de una tubería, puede ser
fácilmente calculada si se conoce el nivel existente es ese mismo punto.
Para ello podemos referirnos a la figura 3.2 para entender como la presión
en la tubería varía como función del desnivel.
bajaesiónpsiesión
baresión
xmesión
xmDesnivelbaresión
Pr5.28Pr
962.1Pr
0981.015Pr
0981.0)()(Pr
=
=
=
=
12 Pico Hidro Potencia para Aldeas Un manual práctico para instalaciones de hasta 5 Kw. en
terrenos de pendientes fuertes Pág. 11-1
- 52 -
3.3.3. Selección del diámetro óptimo
Primero, hay que conocer el caudal requerido por la turbina. Esta
información deberá ser la necesaria para la fabricación de la turbina.
También se necesitará conocer el largo total de la tubería requerida (la
distancia de la ruta de la tubería desde la cámara de carga hasta la turbina) y
el desnivel total disponible.
Datos:
Q = 0.06 m3/seg
L = 25 m
Ha = 15 m
Vb = 9.26 m / seg ( C’2= velocidad absoluta del agua a la salida del rodete Ec. 14 )
υ = 1.310 x 10-6 (viscosidad del agua)
K = material tubos estirados (si soldadura) = 0.015 mm
Determinamos las pérdidas en el tubo aplicando Bernoulli
)27(22
22
g
VbHb
PbHr
g
VaHa
Pa++=−++
γγ
En donde:
Pa y Pb presión en la superficie del reservorio y en la salida del
inyector. Ambas presiones son iguales a la atmósfera.
Va2 y Vb2 Representan la velocidad de una partícula de agua en la
superficie del reservorio y la velocidad en la salida del rodete
respectivamente.
Ha y Hb Representan las alturas, en la superficie del reservorio y la
posición del inyector
Hr Representa las pérdidas en metros en la tubería.
γ y g Representan el peso especifico del agua y la aceleración de la
gravedad
- 53 -
mHr
segm
segmmHr
g
VbHaHr
g
VbHrHa
62.10
/8.9(2
)/26.9(15
2
2
2
2
2
2
=
−=
−=
=−
Una vez determinadas las pérdidas procedemos a encontrar el diámetro de la
tubería que se utilizará en el presente proyecto.
Para ello debemos conocer la viscosidad del agua a 10 grados centígrados
en la tabla a continuación detallada:
Temperatura °C Viscosidad υ (m2/seg)
4 5 10 15 20 30 40 50 60 70
1.568x 10-6
1.519x 10-6
1.310x 10-6
1.146x 10-6
1.011x 10-6
0.803x 10-6
0.659x 10-6
0.556x 10-6
0.478x 10-6
0.416x 10-6 Tabla 3.2. Viscosidad del agua a diferentes temperaturas
Fuente: http://www.uclm.es/area/ing_rural/Trans_hidr/Tema1.PDF
segmV
pcm
pcm
m
cmmD
DD
Asumo
Asumo
erroryónaproximacideMétodo
gD
Q
D
LHr
D
QV
D
QVV
DQ
VxAQ
g
V
D
LHr
/42.6)109.0(
)06.0(4´
lg29.454.2
lg19.10
1
100109.0´
)8.9(2
)06.0(1625022.062.10
022.0'
)03.0,025.0,02.0('
)30(2
16
)29()16
(4
.4
)28(2
2
42
2
42
2
42
22
2
2
2
==
===
=
=
=
=⇒=⇒=
=
=
π
π
λλ
πλ
πππ
λ
- 54 -
realesxx
x
x
comparamos
xD
k
x
segmV
mmmD
MoodydediagramaelenHallamos
xD
k
x
segmV
mmmD
MoodydediagramaelenHallamos
xD
k
xX
xDV
λ
λλ
λλ
λλ
λλ
ν
⇒<−
<−
<−
==
=
=
==
=
==
=
=
==
=
==
===
−−
−
−
−
−
−
−
33
3
3
4
5
4
5
4
4
6
101101
101013.0012.0
101"´
"´
1053.115.98
015.0
"
1094.5Re"
/93.7"
15.9809815.0"
013.0"
"
1054.139.97
015.0
"
109.5Re"
/05.8"
39.9709739.0"
0125.0"
"
1038.1109
015.0
´
)31(1034.51031.1
109.042.6´´Re´
Una vez realizados los s se determina que el diámetro de la tubería es de 4
pulgadas tomando en cuenta que se encuentran en el mercado de esta
medida, material acero estirado.
3.4. DISEÑO Y CÁLCULOS MECÁNICOS
El diseño de una turbina se realiza para poder definir las dimensiones de
cada una de las piezas, las mismas que una vez ensambladas darán forma a
la turbina como máquina. Aquí se consideran sistemas adecuados de
montaje, así como aspectos relacionados con el uso y mantenimiento
adecuados.
- 55 -
Con los cálculos mecánicos lo que se pretende es comprobar si los
materiales que se utilizan para la construcción de cada una de las piezas
están dentro los límites de esfuerzos.
La carcasa en esta turbina esta diseñada para que el flujo del agua a la salida
del rodete se oriente hacia la carcasa de descarga
3.4.1. DISEÑO Y CÁLCULOS DEL RODETE
3.4.1.1. Número de álabes del rotor13
La selección del número de álabes se realizará en base al diámetro y las
condiciones de funcionamiento de la turbina, es decir, altura y caudal.
Se deberá tener en cuenta que un reducido número de álabes provocará
pulsaciones en la generación de la potencia, y un número elevado producirá
una aceleración de la vena fluida con el consiguiente aumento de las
pérdidas y el efecto de reja.
Según las investigaciones de A. Ulku y H. Olgun existe un número óptimo
de álabes. En la TABLA 3.3. se transcriben los resultados de diferentes
investigaciones reflejadas en la literatura.
13 UNIDAD 6: Facultad de Ingeniería – Laboratorio de Máquinas Hidráulicas. Curso:
“PEQUEÑAS CENTRALES HIDRAULICAS” Pág. 12 (Página electrónica)
- 56 -
Tabla 3.3: Parámetros característicos en turbinas ensayadas por diferentes
investigaciones.
De esta tabla se desprende que el número óptimo de álabes está entre 24 y
30. Para nuestro caso trabajamos con 24 álabes.
El espesor de los álabes generalmente se asume y posteriormente se realiza
un chequeo de esfuerzo, considerándolo como una viga empotrada en sus
extremos, por efecto de la soldadura y cargada uniformemente. La fuerza
que actúa sobre cada uno de ellos suponiendo en el peor de los casos, que se
presenta cuando el rodete por algún motivo es frenado y la turbina se
encuentra con apertura total.14
La fuerza que actúa sobre cada uno de los álabes se calcula utilizando la
ecuación siguiente cuando α2 =16 ° será:
14 Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos centrales hidroeléctricos. OLADE (Pág. 22)
REFERENCIA D/d D/B z ηh
YOKOHAMA, 1985, JAPÓN 0.66 4.25 26 80.60
VIGM, 1986, CCCP 0.63 3.00 24 78.00
GANZ,1984, HUNGRÍA 0.66 1.00 30 75.00
ALABAMA,1983, USA 0.66 0.25 20 75.00
RESITA, 1983, RUMANIA 0.66 1.28 24 73.00
KTU, 1987, TRAZBON, TURKIA 0.54 0.81 24 71.30
OREGON, 1949, USA 0.66 1.09 20 68.00
VDI, 1981, ETIOPIA 0.67 3.26 36 66.00
LOS ANDES, 1973, COLOMBIA 0.62 1.87 27 60.60
ODTU, 1985, ANKARA, TURKIA 0.83 1.44 30 55.50
- 57 -
)32(5,46 HQF =
msegmF 15)/06.0(5,46 3=
→
= KgF 80,10
Los álabes se fabrican tomando secciones de tubos, para esta práctica se
realiza en tubos de presión con costura de material de acero AISI 1020 de
espesor de ¼ de pulgada y con valores de: (ANEXO I)
S y = 30 K psi (resistencia de fluencia)
Su = 55 K psi (resistencia a la tracción)
Figura 3.3. Segmento circular del álabe
Como se puede observar el álabe es un segmento circular por lo que ahora
procedemos a calcular el área:
La fórmula general de una circunferencia es: 15
x2 + y2 =r2 (Si el centro es en el origen de coordenadas)(33)
15 Geometría Analítica, Joseph H. Kindle, Serie Schaum. La circunferencia (Pág. 35)
- 58 -
Para R1 x2 + y2 = (5,15 cm.)2
Donde: 2215.5 yx −=
Para R2 x2 + y2 = (5,8 cm.)2
Donde: 228.5 yx −=
La integral del área es:
Para 1:
)34(206.3
0
21 dyxA ∫=
dyyA ∫ −=06.3
0
221 15.52
06.3
0
12
221 22
2
+−= −
r
ysen
ryr
yA
+−= −
15.5
06.3
2
15.506.315.5
2
06.32 1
222
1 senA
A1= 29,53 cm2
Para 2:
)34(206.3
0
22 adyxA ∫=
dyyA ∫ −=06.3
0
222 8.52
06.3
0
12
222 22
2
+−= −
r
ysen
ryr
yA
+−= −
8.5
06.3
2
8.506.38.5
2
06.32 1
222
2 senA
A2= 33.75 cm2
- 59 -
Área neta es: A neta = A2-A1
A neta = 33.75-29.53
A neta = 4.22 cm2
El centro de gravedad de un segmento circular es:16
)35()cos(3
2 3
γγγγ
sen
rsenCg −
=
22,1
2
φγ =
Para 1:
)36()cos(3
2
111
13
1 γγγγ
sen
rsenx
−=
rad63.0
5.362
73
2/
1
00
1
1
=
==
=
γ
γ
φγ
)63.0cos63.063.0(3
63.0)15.5(2 3
1 sen
senx
−=
cmx 55.41 =
Para 2:
)36()cos(3
2
222
23
12 a
sen
senrx
γγγγ
−=
cmr
rad
8.5
55.0
322
64
2/
1
2
00
2
2,12
=
=
==
=
γ
γ
φγ
16 Cálculo diferencial e integral, William Anthony Granville
- 60 -
)55.0cos55.055.0(3
55.0)8.5(2 3
2 sen
senx
−=
cmx 26.52 =
El Radio de giro del álabe es:
)37(12 xxxr −=
55.426.5 −=rx
cmxr 71.0=
El momento de inercia del álabe es:17
)38()()2
22( 4124 er
sensenrI gx +−
−−=
θθφ
Donde:
e es el espesor del álabe en metros
r es el radio de curvatura del álabe en metros
)39(2
1801
φθ
−=
)40(12 θφθ +=
Ø es el ángulo de curvatura del álabe (expresado en radianes)
1rer =+
17 Apuntes para un manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos centrales hidroeléctricos. OLADE (Pág. 23)
- 61 -
rad93.0
5.532
731802
180
1
1
1
=
=−
=
−=
θ
θ
φθ
rad2.2
27.193.0
1
1
1
2
=
+=
+=
φ
φ
θφθ
4
44
44
9.429
)8.5()95.027.1(15.5
)8.5()2
)93.0(2)2.2(227.1(15.5
cmI
I
sensenI
gx
gx
gx
=
−+=
−−
−=
El esfuerzo Máximo que puede soportar un álabe es:
)41(12max
gx
rr
I
xFB=δ
Siendo:
Br es el ancho del rodete expresado en metros
cmBr 7.6=
Igx momento de inercia del álabe
F es la componente Y, de la fuerza del agua sobra cada álabe en Kg.
Xr El Radio de giro del álabe
kpsix
cm
kg
4max
2max
max
104.1
00995.0
)9.429(12
)71.0)(7.6)(8.10(
−=
=
=
δ
δ
δ
8.19104.1
)30)(66.0(104.1
66.0
4
4
max
≤
≤
≤
−
−
x
x
S yδ
Lo que quiere decir que la selección de material y espesor de álabe están
correctos inclusive se puede reducir este último.
- 62 -
3.4.1.2. Cálculo y diseño del eje del rodete
MyMxM
TKtMKmSd
d
+=
+=
2
223
max
)42(max)(max)(16
π
Donde:
M máx. Momento flector máximo que se presenta en el eje en Kg.-m
Datos:
N = 590 rpm (medidas)
F = Fr = 1948 )43()(
)(
DeN
KwPt
AISI (USA) VDEh
(Alemana)
Sut = 57 Kpsi (Material Acero Forjado) 4317 18% Cr Ni 8%
Sy = 23 Kpsi (Material Acero forjado) 4317
Ø = Diámetro del eje principal
Pr = Peso del rodete
Fr = Fuerza tangencial del rodete
0
9,5 9,5A B C D
PRy/2 PRy/2
FR2/2FR2/2
z RoyR1Z
R1y
R0Z
X
15 cm
Figura 3.4 Diagrama de fuerzas
- 63 -
)44()(
1948DeN
PtFr =
KwPt
kwPt
ntrng
PgPt
8.7
)5.08.0(
5
)45(
=
∗=
∗=
Pt Potencia al freno de la turbina en Kw
Pg es la potencia máxima que el generador entrega al sistema
ng es la eficiencia del generador
ntr es la eficiencia de la transmisión mecánica utilizada entre la turbina
y el generador.
3.4.1.3. Número óptimo de revoluciones en RPM
)5(85.39 2
1
ecuaciónlaDeDe
HN =
m
mN
30.0
)15(85.39 2
1
=
rpmN 40.514=
lbKg
lbKgFr
Fr
DeN
PtFr
09.263.7Pr
79.3489.157
)3.0*514(
8.71948
)(1948
⇒=
⇒=
=
=
→
- 64 -
Plano x – y
0
RoyR1y
PRy/2 PRy/2
X3.74 PLG 6 PLG 3.74 PLG
Figura 3.5 Diagrama de fuerza en el plano x - y
lg74.354.2
lg15.9
65.3045.82
09.16
2
Pr
pcm
pcm
Kglbs
=
⇒==
lbyR
lblbyR
yRlblbyR
yRlblbyR
Fy
05.80
04.809.160
1045.804.80
0145..804.80
0
=
−=
−+=
=+−−
=∑
LbyR
yR
yR
yR
My
044.8148.13
43.1081
35.7808.30)48.13(1
0)48.13(1)45.8)(74.9()74.3)(045.8(
0
=
=
+=
=−+
=∑
- 65 -
Diagrama de Fuerzas
0 X3.74 PLG 6 PLG 3.74 PLG
8.05 LB
- 8.05 LB
AB C
D
A1
A2
Figura. 3.6 Diagrama de fuerzas
Diagrama de Momentos
3.74
PLG
6 PLG 3.74
PLG
AB C
D
30.08 lb.plg
Figura. 3.7 Diagrama de momentos
),(:cos
lg08.30)74.3)(05.8(2
lg08.30)74.3)(05.8(1
CBcrítiPuntos
lbpA
lbpA
==
==
LbKgKgFr
09.17495.782
9.157
2⇒==
- 66 -
LbzR
zR
zR
Moz
lbzR
zR
zRR
Fz
08.1741
)48.13(163.169509.651
0)48.13(1)74.9)(09.174()74.3)(09.174(
1.1740
08.17418.3480
0109.17409.17402
0
=
=+
=+−−
=
−=
=−++−
=
∑
∑
Diagrama de fuerzas
0
Roz R1Z
X3.74 PLG 6 PLG 3.74 PLG
A B C D
651.05
LB PLG
Figura. 3.8 Diagrama de fuerzas x - z
Diagrama de Momentos
0
Z R1Z
X3.74 PLG 6 PLG 3.74 PLG
A B C D
A1
A2
174.08 LB
174.08 LB
Figura. 3.9 Diagrama de momentos x - z
- 67 -
lg05.651)74.3(08.1742
lg05.651)74.3(08.1741
plbA
plbA
==
==
Puntos críticos (B, C)
cmp
cmpdB
pdB
xdB
plbMB
MBMBMB
TBSy
ndB
zxyx
05.3lg
54.2lg2.1
lg2.1)73.1(
)74.651()106,4(
)2.1(32
lg74.651)05.651()08.30(
)47(
)46(32
3
1
3
1
3
22
)(2
)(2
3
1
22
==
==
=
=+=
+=
+Μ=
−−
π
π
Diámetro Recomendado para el eje principal:18
dB = dC = 30 mm = 3 cm.
3.4.1.4 Selección de la chaveta:19
Para seleccionar la chaveta se dispone de los siguientes datos:
El material de la chaveta es de hierro MPIF F-0000-15
KpsiS
KpsiS
u
y
25
18
=
=
El diámetro del eje anteriormente determinado es 3cm ó 1.2 plg
La potencia al freno de Pt = 7,8 Kw
Un torque máximo de Tmax= 1283.06 lb plg
Donde:
)48(max
r
TF =
18 Diseño en Ingeniería mecánica, Joseph E. Shigley; Charles R. Mischke, Pág.1144 19 Diseño de Componentes de Máquinas, William C. Orthwein, Pág. 486
- 68 -
lg43.2138
)49(lg)2/2.1(
lg06.1283
pF
p
lbpF
=
=
Sabemos que la chaveta actúa como un elemento de protección mecánica
por lo que:
ejeSchavetaS yy ≤
y comprobamos con nuestro yS que:
KpsiKpsi 2318 ≤
Por lo que podemos decir que la elección del material es correcta.
Aplicando la teoría del esfuerzo máximo
hl
F=τ (50)
n
S y
2≤τ (51)
(49) = (50) y despejando hl nos queda
)52(2
yS
nFhl =
Sabemos que la longitud para nuestra chaveta debe ser de la misma
longitud del cubo del rodete y que es igual a 5cm =1.96plg
El factor de seguridad (n) de chavetas y para este material es 2
2
3
lg1018
)43.2138)(2(2
p
lbx
lbhl =
2lg47.0 phl =
mmh
ph
p
ph
84.5
lg23.0
lg96.1
lg47.0 2
=
=
=
- 69 -
Entonces la chaveta tiene las siguientes dimensiones:
Longitud = l = 50 mm
Altura =h = 6 mm
Base = b = 7mm
3.5. DISEÑO DEL SOPORTE DE RODAMIENTO20
Se aconseja utilizar soportes de rodamientos externos existentes en el
mercado; para el diseño del soporte del rodamiento se requiere realizar
previamente una selección del rodamiento. Esta selección se realiza
determinando la capacidad de base dinámica requerida.
Cada tipo de rodamiento presenta propiedades características que dependen
de su diseño y que lo hacen más o menos adecuado para una aplicación
determinada. Por ejemplo, los rodamientos rígidos de bolas pueden soportar
cargas radiales medias, así como cargas axiales. Tienen un bajo rozamiento
y pueden producirse con una alta precisión y en variantes de trabajo
silencioso .Este tipo de rodamiento es preferido por consiguiente, para
motores eléctricos de tamaño pequeño y medio
Hay muchos casos que al menos una de las dimensiones principales del
rodamiento, generalmente el diámetro del agujero, viene determinado por
las características de diseño de la máquina a la que va destinado. Para ejes
de pequeño diámetro, se pueden utilizar cualquier tipo de rodamiento de
bolas siendo los rodamientos rígidos de bolas los más comúnmente
utilizados.
20 www.skf.com/skf/productcatalogue
- 70 -
3.5.1. Selección de rodamiento
N = 1800 rpm
Lh10= 40.000.....50.000 horas (por tablas) (ANEXO II)
K= 3 (cuando se trata de rodamientos de bola o esférico)
Determinamos la fuerza radial, conociendo las reacciones:
Roy= 8.05 lb.
Roz= 174.1 lb.
NFr
lbFr
Fr
RyRxFr
54.775
28.174
)1.174()05.8(
)53(
22
22
=
=
+=
+=
→
Fr fuerza radial sobre el eje
3.5.2. Cálculo de la carga dinámica
P = V x Fr (54)
Donde:
V = 1 (factor de rotación cuando gira la pista interior)
P = 1 * 775.54 N
P = 775.54 N
- 71 -
3.5.2.1. Capacidad de carga dinámica
KNC
NC
N
C
P
CL
K
5.27
13.27585
5.77545000
)55(
3
10
=
=
=
=
Siendo:
L10 Vida nominal (millones de revoluciones)
C capacidad de carga dinámica
P carga dinámica equivalente
3.5.2.2. Capacidad de carga estática
KNCo
NCo
rpmxx
N
Co
Nx
P
CoL
K
H
1.13
13136
180060
10
54.77545000
)56(60
10
63
6
10
=
=
=
=
Con los datos obtenidos se busca en tablas y se determina que el rodamiento
a elegir es el rodamiento en acero SKF serie 6306.21 (ANEXO III)
21 www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/producttable
Rodamientos rígidos de bolas, de una hilera
- 72 -
3.6 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA MECÁNICA
En una pico central hidroeléctrica se produce una continua conversión de
energía hidráulica en energía mecánica en la turbina y de energía mecánica
en energía eléctrica en el generador.
En el caso de sistemas eléctricos con corriente eléctrica, a una frecuencia de
60 hz, se dispone de generadores con velocidades de 3600 / p (rpm.), siendo
“p” el números de polos del generador. De esta manera se puede contar
con velocidades de 3600, 1800, 1200, 900 rpm y menos.
La velocidad de giro de la turbina está relacionada con la caída neta, el
caudal y lasa dimensiones del rodete. En el caso de las grandes centrales
hidroeléctricas se justifica construir los rodetes de las turbina con
dimensiones que permitan garantizar una velocidad de giro igual a la del
generador y permitir así su acoplamiento directo. En cambio en el caso de
pico centrales hidroeléctricas solo se puede emplear los rodetes con
dimensiones estándares de los fabricantes; en consecuencia, la velocidad de
operación, para las condiciones de caída neta y caudal disponible, rara vez
coincide con la de los generadores; por esta razón en las pequeñas centrales
debe emplearse sistemas de transmisión de movimiento y potencia mecánica
entre la turbina y el generador.
3.6.1 Elementos de un sistema de transmisión de potencia mecánica.
En todo sistema de transmisión de movimiento y potencia se pueden
distinguir fundamentalmente dos tipos de elementos:
o Elemento conductor o motriz
o Elemento conducido
- 73 -
De una manera más específica los elementos mecánicos involucrados en una
transmisión serán:
• Una rueda impulsora
• Una rueda conducida
• Ejes que soportan las ruedas y giran con ellas.
• Soportes de los ejes (cojinetes de rodamientos o deslizamiento)
• Acoplamientos
3.6.1.1 TIPOS DE TRANSMISIONES
Existen varios tipos de transmisiones mecánicas, indicaremos las más
importantes:
o Transmisiones flexibles por fajas, que pueden ser:
• Planas
• Trapezoidales o en v
• Dentadas
o Transmisiones flexibles por cadenas de rodillos, que pueden ser:
• Simples
• Múltiples
o Transmisiones por ruedas de fricción, que pueden ser:
• cilíndricas de ejes paralelos
• Cilíndricas de ejes transversales
• Cónicas
o Transmisión por engranajes, las que pueden ser:
- 74 -
• Cilíndricas de dientes rectos
• Cilíndricas de dientes helicoidales
• Cónicas de dientes rectos
• Cónicas de dientes espirales
• Tornillos sin fin con rueda dentada
3.6.1.2 Criterios para el dimensionamiento de sistemas de transmisión
Para poder dimensionar un sistema de transmisión debe contarse con la
siguiente información:
• Potencia a transmitir
• Velocidades de entrada y salida
• Condiciones de servicio
Las condiciones de servicio están relacionadas con el tipo de máquina
motriz y tipo de máquina conducida, en cuanto a las vibraciones que ellas
originen en la transmisión; también dependen de las horas de servicio,
condiciones ambientales, etc. Estas condiciones de servicio han sido
evaluadas experimentalmente para los diferentes sistemas de transmisión,
considerándose en la forma de un “factor de servicio”.
3.6.1.3 Transmisión por engranajes
Las cajas multiplicadoras de engranajes, pueden significar una opción para
la transmisión del movimiento entre el eje de la turbina y el generador, con
las ventajas de ocupar poco espacio, originar menores pérdidas por fricción
y evitar cargas fuertes en los cojinetes del generador. Los engranajes tiene la
ventaja de poder adaptarse adecuadamente tanto a transmisiones de bajas
- 75 -
velocidades como de altas. Su principal inconveniente es su costo más
elevado que las transmisiones por fajas como cadenas; asimismo, los
trabajos de mantenimiento, relacionados mayormente con cambios de
rodamientos de las cajas, requieren más cuidado.
3.6.1.4. Multiplicadores de velocidad
Cuando turbina y generador trabajan a la misma velocidad y pueden
montarse coaxialmente, se recomienda el acoplamiento directo, que evita
pérdidas mecánicas y minimiza el mantenimiento ulterior. El fabricante de
la turbina recomendará el tipo de acoplamiento a utilizar aun cuando un
acoplamiento flexible, que tolera pequeños errores de alineación, es en
general preferible.
En general, sobre todo en turbinas de baja potencia, los rodetes giran a
menos de 500 rpm, lo que obliga al empleo de un multiplicador para
alcanzar las 1.800-3.600 rpm de los alternadores Standard, solución siempre
más económica que la de utilizar un alternador especial, que tendrá que ser
construido bajo pedido
3.6.2. Diseño del multiplicador
La caja se diseña para garantizar, aún bajo solicitaciones extremas, la
correcta alineación de los componentes. En general se construyen de acero
soldado, fuertemente rigidizado para que pueda resistir, sin deformarse, el
empuje de la turbina y el par transmitido por el generador.
El multiplicador tiene que soportar esfuerzos excepcionales, causados por
situaciones excepcionales, tales como un defecto de sincronismo, un
- 76 -
cortocircuito o un empalamiento de la turbina, que generan esfuerzos
puntuales que pueden llegar a romper los engranajes. Para proteger los
engranajes contra estos esfuerzos puntuales, se recomienda utilizar
limitadores de par que al presentarse una sobrecarga excesiva originan la
rotura de la pieza que hace de acoplamiento.
Es importante que el volumen, calidad, temperatura y viscosidad del aceite
se mantengan siempre dentro de especificaciones.
Los multiplicadores se diseñan con arreglo a normas estandarizadas pero
utilizando criterios conservadores en la evaluación de los esfuerzos. Estos
criterios entran en conflicto con la necesidad de reducir costos pero, para
encontrar el equilibrio entre fiabilidad y precio, hay que tener muy claras las
ideas sobre como se dimensionan los componentes. Un buen conocimiento
de las cargas de fatiga y una gran precisión en el tallado de engranajes, son
condiciones indispensables para garantizar la durabilidad de un
multiplicador.
Los factores metalúrgicos juegan también un papel importante. En cada caso
hay que estudiar las ventajas respectivas de la nitruración y de la
cimentación, muy en particular en lo que respecta a los esfuerzos
permisibles en el contacto de los dientes.
La elección de los cojinetes es crucial para el diseño del multiplicador. Por
debajo de 1 Mw. pueden utilizarse rodamientos de rodillos. Sin embargo,
para mayores potencias resulta difícil encontrar rodamientos con una
garantía de vida aceptable, por lo que a partir de esa potencia se utilizan
cojinetes hidrodinámicos. Efectivamente, la vida de los rodillos esta
limitada por el fenómeno de fatiga, mientras que los cojinetes
hidrodinámicos tiene una vida prácticamente ilimitada. Los cojinetes
hidrodinámicos, por otra parte, admiten una cierta contaminación del aceite,
cosa que no es tolerada por los rodillos.
- 77 -
3.6.3. Engranajes22
Permiten transmitir movimientos giratorios entre dos ejes, pudiendo
modificar las características de velocidad y sentido de giro. Los ejes pueden
ser paralelos, coincidentes o cruzados.
Este mecanismo se emplea como reductor de velocidad en la industria
(máquinas herramientas, robótica, grúas...), en la mayoría de los
electrodomésticos (vídeos, cassetes, tocadiscos, programadores de lavadora,
máquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automoción (cajas de
cambio de marchas, cuentakilómetros, regulación de inclinación de los
asientos...), etc.
El sistema de engranajes es similar al de ruedas de fricción. La diferencia
estriba en que la transmisión simple por engranajes consta de una rueda
motriz con dientes en su periferia exterior, que engrana sobre otra similar, lo
que evita el deslizamiento entre las ruedas. Al engranaje de mayor tamaño
se le denomina rueda y al de menor piñón.
Figura 3.10. Rueda y piñon
A diferencia de los sistemas de correa-polea y cadena-piñón, este no
necesita ningún operador (cadena o correa) que sirva de enlace entre las dos
ruedas .
22http://www.iesmarenostrum.com/Departamentos/Tecnologia/mecaneso/mecanica_basica/mecanismos/mec_eng_multiplicador.htm
- 78 -
Los dientes de los engranajes son diseñados para permitir la rotación
uniforme (sin saltos) del eje conducido.
3.6.3.1. Sentido de giro
Este sistema de transmisión (como el de ruedas de fricción ) invierte el
sentido de giro de dos ejes contiguos, cosa que podemos solucionar
fácilmente introduciendo una rueda loca o engranaje loco que gira en un eje
intermedio.
Figura 3.11. Sentido de giro
3.6.3.2. Relación de velocidades
Las velocidades de entrada (eje conductor) y salida (eje conducido) están
inversamente relacionadas con el número de dientes de las ruedas a las que
están conectados (igual que en la transmisión por cadena-piñón)
cumpliéndose que:
N1·Z1 = N2·Z2 57
Con lo que la velocidad del eje conducido será: N2=N1· (Z1/Z2)
- 79 -
Figura 3.12. Relación de velocidades
donde:
N1 Velocidad de giro del eje conductor
N2 Velocidad de giro del eje conducido
Z1 Número de dientes de la rueda
Z2 Número de dientes del piñón
La relación de transmisión del sistema es:
(58)
3.6.3.3 Cálculo y diseño de los engranajes
De acuerdo a las consideraciones anteriores vamos a realizar los cálculos
necesarios para el diseño de los engranajes para la caja multiplicadora que
se conectara a la turbina y al generador.
- 80 -
Los datos que tenemos son los siguientes: (ANEXO IV)
N1 de la turbina: 600 rpm
N2 = rpm al generador
Z1 = 116 dientes
Z2 = 16 dientes
M = 2 (módulo)
De N1·Z1 = N2·Z2
N2=N1· (Z1/Z2)
N2 = 600. (116/16)
N2 = 4350 rpm
3.6.3.4. Denominaciones y relaciones en el dentado del sistema de
módulo
o Distancia entre centros
mmC
C
ZZmC
132
2
16116.2
2
21.
=
+=
+=
(59)
- 81 -
o Diámetro primitivo
mmd
d
mmd
d
Zmd
32
16.2
232
116.2
.
1
2
1
1
=
=
=
=
=
(60)
Addendum (Cabeza del diente)
a = 1 . m (61)
a = 1 . 2
a = 2 mm
Dedendum (pie del diente)
b = 1,25 m (62)
b = 1,25. 2
b = 2,5 mm
Espacio libre del fondo
c = 0,25. m (63)
c = 0,25. 2
c = 0.5 mm
Profundidad del diente
h = 2,25. m (64)
h = 2,25. 2
h = 4,5 mm
- 82 -
Paso circular del diente
p = π. M (65)
p = π. 2
p = 6,28
Espesor del diente
e = (π. m) / 2 (66)
e = (π. 2) / 2
e = 3 ,14 mm
Diámetro exterior
De = m. (Z1 + 2) (67)
De = 2. (116 + 2)
De = 236 mm
De = m. (Z2 + 2)
De = 2. (16 + 2)
De = 36
Longitud del diente
B = 8 a 10. m (68)
B = 8. 2
B = 16 mm
- 83 -
CAPITULO IV
SELECCIÓN TÉCNICA DEL EQUIPO ELÉCTRICO
4.1. SELECCIÓN TÉCNICA DE GENERADORES23.
Los generadores eléctricos para estas aplicaciones son máquinas rotativas
que se acoplan directamente o indirectamente a los rodetes de las turbinas y
así, conjuntamente, producen energía eléctrica o electricidad.
Para una buena selección del generador adecuado para el proyecto se debe
tener en consideración los siguientes aspectos:
4.1.1 Generador de corriente continúa.
4.1.1.1 Ventajas.
o Suministros de corriente sin rizado u ondulaciones de la onda de salida.
23 Manual de minicentrales y micro centrales hidráulicas ITDG PERÚ Pág. 189…209
- 84 -
o Excelente respuesta que permite ser una fuente precisa para elementos
de control.
4.1.1.2 Desventajas.
o Para evitar pérdidas excesivas por transporte (este tipo de corriente no
puede elevarse o reducirse con elementos económicos como los
transformadores), el centro de consumo debe hacerse lo mas cerca
posible al centro de generación, lo que en un aprovechamiento
hidráulico es difícil de lograr.
o Los dispositivos y aparatos que conforman las cargas domésticas,
industriales y de iluminación utilizan corriente alterna.
o El uso esta limitado a generación de pequeñas potencias para carga de
acumuladores y baterías.
4.1.1.3 Mantenimiento.
A pesar de ser una máquina de construcción robusta el dínamo es un
dispositivo delicado, las pruebas en fábrica para conseguir las características
de placa y de conmutación son largas y costosas, lo que determina que su
operación sea de constante vigilancia, excepto por el conmutador y las
escobillas, el mantenimiento de la máquina de continua difiere poco del
resto de máquinas eléctricas rotativas.
Para obtener una buena conmutación, las escobillas deben verificarse
periódicamente, observando la libertad de movimiento en los porta
carbones, así como la presión y longitud suficientes.
El cuello del conmutador no es aislado y recibe toda la tensión generada,
por lo que debe limpiarse del polvo de carbón gastado y del aire de
ventilación pues ocasionan de fuga a la masa.
- 85 -
Fig. 4.1 Generador de corriente continua.
4.1.2 Generador Síncrono.
4.1.2.1 Ventajas.
o Es la velocidad de giro de la máquina en rpm. (revoluciones por
minuto), que permanece invariable y origina en la corriente en la
corriente alterna la frecuencia síncrona normalizada .La velocidad
rotativa es dada por la máquina, en este caso la turbina hidráulica.
o Frecuencias sincrónicas normalizadas: 50 y 60 Hz.
o Velocidades sincrónicas deducibles de la frecuencia F y el número de
polos P de la máquina. np
HzfRPMs
)(.120)( =
o El generador síncrono tiene el bobinado de campo excitado por corriente
continua y la tensión generada en la armadura es alterna, de ahí el se
denomina alternador.
o El generador monofásico tiene una sola fase.
o Los generadores síncronos monofásicos se usan para tres razones.
- 86 -
• En aplicaciones de potencia relativamente baja (usualmente no
mayor a 30 KVA).
• Provisionalmente cuando se espera el crecimiento futuro de la
demanda.
• Cuando el alternador debe funcionar en paralelo con otro existente
de sistema monofásico.
o El alternador síncrono, desde hace mucho tiempo, es el más importante
dispositivo de conversión de potencia electromecánica y es pieza clave
en la producción de electricidad.
o El alternador puede soportar altas corrientes instantáneas de carga o
bajos factores de potencia lo que es típico en el arranque de un motor de
inducción.
o Los alternadores normales permiten el desbalance de las corrientes de
carga de hasta un 25% sin superar la corriente nominal, a cargas
parciales el valor de desbalance puede ser mayor, pero sin superar el
40% para evitar el desequilibrio de tensiones y hasta sobre tensiones.
4.1.2.2 Desventajas.
o Los alternadores de fabricación actual son de un solo cojinete, por lo que
para uso con turbinas, se debe solicitar un alternador especial con dos
cojinetes.
o La regulación debe ser mantenida en rangos estrechos de regulación,
comúnmente aceptan una caída de rango 5% de la velocidad, de lo
contrario presenta exceso de calentamiento por sobre excitación y
disminución de aire de enfriamiento.
- 87 -
4.1.2.3 Mantenimiento.
o Los elementos de regulación deben estar en buen estado y operando
normalmente.
o La regulación del regulador de velocidad y tensión deben estar correctas.
o El mal funcionamiento se debe exclusivamente en la turbina o en el
regulador de velocidad y tensión.
4.1.3 Generador de Inducción o Asíncronos.
4.1.3.1 Ventajas.
o Son de construcción simple, robusta y confiable.
o Son de fácil adquisición, a bajo costo, como motores.
o Prácticamente no requieren mantenimiento no hay escobillas
o Soportan sobre velocidades del orden del 200%
o La tensión generada depende de la magnitud de los condensadores, la
velocidad de giro, la corriente y factor de potencia.
4.1.3.2 Desventajas.
o Pérdida de potencia por menor llenado de ranuras con conductor de
cobre, cuando el bobinado no es realizado en fábrica.
o Requiere protección por sobre tensiones que se presenta durante un
embalamiento, falla del controlador de velocidad y regulación o
resistencias de regulación, el modo mas económico es colocar fusibles a
los condensadores.
- 88 -
o El uso de un controlador de carga máxima para regular la tensión,
requiere de un flujo de agua permanente.
o Como toda máquina de inducción, el desbalance de corrientes de carga
va a provocar exceso de carga por lo que deben ser limitadas a un
máximo de 10%.
4.1.3.3 Mantenimiento.
o Se aplica el programa de mantenimiento común de las demás máquinas
rotativas, en este caso se reduce a la lubricación de cojinetes.
o Los condensadores de excitación, se debe revisar su estado y si
mantienen su capacidad y corriente de fuga.
o Respecto a los controladores de regulación por cargas lastre
(resistencias) seguir las mismos procedimientos de mantenimiento de los
reguladores de carga.
4.1.4 Selección Práctica del Generador.
Una vez apreciado las ventajas y desventajas de cada tipo de generador y
revisando la necesidad presentada en el sector para este proyecto se aclara
las siguientes razones para seleccionar un generador síncrono monofásico;
o La distancia de traslado de energía; como ya se analizó el generador
síncrono se puede acoplar a un elevador de voltaje con facilidad
(transformador) y la distancia de generación hasta el punto de consumo
se encuentra a 200mts de distancia.
o Fácil de encontrar en el mercado; este tipo de generador se puede
extraer fácilmente de los generadores de combustión interna.
o Generadores monofásicos son utilizados en aplicaciones de potencia
relativamente pequeñas.
- 89 -
o Autoprotección de sobre corriente incorporada; los generadores
monofásicos actualmente vienen previstos de termo magnéticos de sobre
corrientes lo que es un ahorro considerable para el equipo de protección.
o Alternador soporta corrientes de carga instantánea; estos
generadores soportan corrientes de carga instantánea, lo que
generalmente producen los motores de inducción, en la zona la
utilización de motores es inevitable.
• Características del generador síncrono.
Marca:
Voltaje: 110 V AC.
Potencia: 3.5 Kw.
Frecuencia: 60 Hz
Polos: 2
Revoluciones: 3600 rpm
Autoprotegido contra sobre corrientes. (ANEXO V)
4.2 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE REGULACIÓN DE
FRECUENCIA Y VOLTAJE.
Una vez elegido el generador utilizado en el proyecto ahora es conveniente
elegir el sistema de regulación del voltaje y frecuencia.
Para lo cual explicaremos el sistema que se ha elegido para el proyecto el
cual es detallado a continuación.
- 90 -
4.2.1 Importancia de controlar la frecuencia y voltaje del sistema.
Es importante controlar el voltaje y frecuencia para no dañar al generador
eléctrico ni los equipos y máquinas que utilizan esta energía.
Dado que la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del
alternador, una variación de velocidad de giro se traduce en una variación
en la frecuencia del sistema eléctrico que debe tener un valor de 50 ,60
Hertz según el país.
Para lo cual indicamos la importancia de controlar la frecuencia en la tabla
4.1 y 4.2.
Tabla 4.1 Efectos de operación con baja frecuencia.
Tabla 4.2 Efectos de operación con alta frecuencia.
EQUIPO O
DISPOSITIVO
EFECTOS DEBIDO A UN OPERACIÓN CON BAJA
FRECUENCIA
Motor eléctrico
Lámpara fluorescente
Lámpara incandescente
Alternador
El motor no arranca
No enciende.
Menor iluminación
Sobrecalentamiento.
EQUIPO O
DISPOSITIVO
EFECTOS DEBIDO A UN OPERACIÓN CON ALTA
FRECUENCIA
Motor
Lámpara incandescente
Alternador
Se reduce su vida útil o pueden quemarse
Reduce su vida útil.
Daños provocados por sobre velocidad.
- 91 -
Una vez visto la necesidad de regular la velocidad explicaremos las dos
maneras existentes para regular la velocidad que son:
o Por regulación de caudal en la turbina.
o Por regulación de carga.
4.2.2 Regulación de velocidad por medio de caudal de agua en la
turbina.
Para obtener una velocidad constante del grupo generador, existiendo una
demanda variable, es necesario que en todo momento la potencia disponible
al ingreso del grupo generador, deba ser igual a la potencia eléctrica a la
salida de este, más las pérdidas internas del grupo.
Este equilibrio se logra regulando la cantidad de agua que ingresa a la
turbina de tal manera que si se produjera un aumento de la demanda se
abrirá una válvula que permite el mayor ingreso de agua a la turbina
ocasionando que la potencia generada sea igual a la demanda.
Existen dos maneras de realizar esta regulación:
Manual o automática
La regulación manual se ha utilizado principalmente en pico centrales de
potencia pequeñas ya que su costo inicial es bajo, este tipo de regulación se
emplea en aquellos sistemas donde no existen grandes fluctuaciones en al
demanda de energía.
La variación del caudal se realiza por medio de la válvula de aguja o álabes
directrices, según el tipo de turbina utilizada.
La regulación automática utiliza los reguladores óleo mecánicos y sus
variaciones tales como taquimétricas, electromecánicos y electro
hidráulicos, por su elevado costo en el sistema resulta poco apropiado en
pico centrales y es utilizado en centrales mayores a 100KW.
- 92 -
4.2.3 Regulación de la velocidad por regulación de carga.
A diferencia de la regulación por el caudal de agua en la que en todo
momento la turbina regula el paso de agua con el fin de igualar la potencia
generada con la demanda, para mantener la velocidad de giro
constantemente, en los sistemas de regulación de carga el grupo generador
entrega una potencia constantemente, esto es no hay regulación del caudal
de agua.
No obstante debe cuidarse que el grupo genere una potencia mayor o igual a
la máxima demanda, el exceso de potencia generada se dispara en forma de
calor a través de resistencias sumergida en agua o al aire.
Esta regulación también se puede realizar de manera manual y automática.
La forma manual es poco utilizada se requiere básicamente tener un banco
de resistencias calefactores que el operador ira conectando o desconectando
según aumente o disminuya la frecuencia en la red eléctrica.
La regulación automática se logra con el fin de lograr soluciones más
económicas y sencillas en el mantenimiento y operación de los reguladores
de velocidad ,este utiliza unas válvulas electrónicas conocidas como
tiristores que deriva la energía consumida por la demanda a un sistema de
disipación de energía (resistencias calefactores).
Figura 4.2: Esquema de regulación de velocidad por carga lastre
- 93 -
o Una vez revisado lo tipos de control podremos escoger el mas
apropiado para el proyecto.
4.2.4 Criterios de selección.
o Reguladores de caudal.
• Desventajas.
Costo elevado de instalación.
No son muy apropiados para pico centrales de baja potencia.
• Ventajas.
Apropiados donde el caudal de agua no es constante.
o Reguladores de carga.
• Desventajas.
El generador permanece siempre entregando carga constante y cercana o
igual a la máxima por lo que el mantenimiento debe ser mas continuo que
con un regulador de caudal.
• Ventajas.
Menor costo de instalación.
Apropiado para pequeñas centrales hidroeléctricas.
Operación y mantenimiento sencillos
No produce sobre presiones en las tuberías de presión.
4.2.5 Selección de regulador.
Como ya pudimos observar el más apropiado para el proyecto es el
regulador de frecuencia por regulación de carga con resistencias
calefactores.
- 94 -
A continuación explicaremos como es el funcionamiento del regulador
escalonado digital de carga.
4.2.5.1 Principio de funcionamiento.
Esta regulación se logra mediante el uso de tiristores o rectificadores de
control de silicona (SCR) los cuales permiten el paso de corriente hacia la
carga secundaria (resistencias calefactores) solo cuando recibe una
pulsación de pase proveniente del circuito de control de disparo. (ANEXO)
El proceso de control de frecuencia se realiza comparando la frecuencia del
alternador con una señal de referencia preestablecida, se compara estos dos
valores y se emite una señal de diferencial que van al circuito de disparo
donde emite al señal de disparo haciendo que se conecten o desconecten
pequeñas cargas (en las cargas resistivas) ,estas cargas tienen valores
diferentes con la finalidad de que el regulador tenga un amplio margen para
realizar las combinaciones mas adecuadas para el cambio de carga que se ha
producido.
Una ventaja se atribuye a este sistema sobre el de regulación continua es que
al no cortar las ondas de corriente y realizar una regulación por pasos o
escalones, no se producen interferencias en las ondas de radio.
4.2.5.2 Características técnicas de los reguladores electrónicos de carga.
o Respuesta a la aplicación o retiro del 100% de la carga, desviación
transitoria de la frecuencia menos de 0.25 s.
o Estatismo de 0% a 3% (regulación digital)
o Temperatura máxima de operación 55º C
o Tipo de demanda indiferente (inductiva, capacitiva, resistiva)
o Factor de potencia de la demanda mayor de 0.7 (ANEXO VI)
- 95 -
4.3 DISEÑO Y SELECCIÓN DEL EQUIPO DE
SECCIONAMIENTO CONTROL Y PROTECCIÓN.24
Para el proceso de selección de protección de generador y del
seccionamiento eléctrico, consideramos el siguiente aspecto, como ya se
explico en la sección 3.1 el generador que se seleccionó viene previsto de
protección interna es decir autoprotegido de sobre corriente y voltaje, para
lo cual nuestra misión se concentra en la selección del elemento apropiado
para la protección del sistema de control de frecuencia y el sistema de
distribución energía del generador hacia los elementos de consumo.
Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de
protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los
conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han
de trabajar con ella.
Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación
eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres
que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domésticas, de
fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta
tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a
continuación son:
a) Protección contra cortocircuitos.
b) Protección contra sobrecargas.
c) Protección contra electrocución.
24 http://www.geocities.com/SiliconValley/Program/7735/TECNOL16.html Pág.225
- 96 -
Fig. 4.3 Protecciones de un tablero de distribución eléctrica
4.3.1 Protección Contra Sobrecarga.
Selección de Interruptores termo magnéticos de la distribución
(VIVIENDA)
a) Interruptor general automático
Tendrá accionamiento manual y dispositivos de protección contra
sobrecargas y cortocircuitos.
Será el encargado de proteger la derivación individual contra sobrecargas.
Se utilizará como desconectador general de la instalación interior y será de
corte omnipolar.
Tendrá capacidad de corte suficiente para la intensidad de cortocircuito que
pueda producirse en el punto de su instalación.
- 97 -
b) Interruptor diferencial
Es el encargado de proteger a personas y cosas contra los contactos directos
e indirectos.
Su intensidad nominal deberá estar por encima de la máxima prevista a
demandar por los circuitos que se derivan de él.
Deberá resistir las corrientes de cortocircuito que puedan presentarse en el
punto de su instalación.
La elección de la sensibilidad en cada caso viene determinada por la
condición de que el valor de la resistencia a tierra de las masas, medida en
cada punto de conexión de las mismas, debe cumplir la relación:
Re = Resistencia de tierra en Ω.
Ub = Potencial de toque en V.
If = Corriente nominal de fuga en A.
Ub = 50 V en locales o emplazamientos secos.
Ub = 24 V en locales o emplazamientos húmedos o mojados.
If podrá variar, siendo los valores habituales hasta 30 mA, protección para
contactos directos e indirectos más de 30 mA serán aptos solo para proteger
contra contactos indirectos.
En el caso de instalaciones interiores o receptoras de gran complejidad o
extensión se recomienda utilizar interruptores diferenciales ubicados en
distintos lugares (en cascada); de modo que puedan actuar selectivamente
c) Interruptores automáticos
El tablero general estará compuesto también por varios I.A.C. (Interruptor
automático de circuitos) magneto térmicos, para proteger cada uno de los
circuitos independientes contra sobrecargas y cortocircuitos.
Dispondrá de uno por circuito y sus características de interrupción estarán
de acuerdo con las corrientes admisibles en los conductores del circuito que
protegen.
El número mínimo de circuitos y por tanto de I.A.C.S., dependerá del grado
de electrificación de la vivienda.
- 98 -
Estos interruptores deberán coordinarse en su operación con los otros
dispositivos de protección generales de modo de actuar selectivamente.
d) Borne de protección
El tablero general dispondrá también de un borne de conexión para los
conductores de protección o tierra donde llega el conductor general de tierra
y de donde salen las tierras de cada circuito, y en el caso de tableros
metálicos estarán conectados además a la cubierta de dichos tableros.
4.3.1.1 Cálculo de protecciones de la vivienda.
Ahora calculamos los Interruptores termo magnéticos que se utiliza en la vivienda. Datos. CTI =carga total instalada wCTI 2769= (69) Un interruptor termo magnético que distribuye a: Cocina lámpara de 100W tomacorriente 150 W Dormitorios (3) lámparas 300W Tomacorriente (3) 450 W Pasillo (2) lámparas 200W Pasillo 100 W P1= 1300 W Un interruptor termo magnético que distribuye a: Baño luminaria 100W Tomacorriente. 150 W Dormitorio 4, luminaria 100 W Tomacorriente 150 W Dormitorio 5, luminaria 100W Tomacorriente 150 W Taller (2) Motores ½ Hp 746 W P2= 1469 W Factor de coincidencia 067=Fco
xFcoPP 11.1= (70)
- 99 -
( )
A
V
w
x
xFcoP
w
x
I
PI
PPPPP
91.7110
871
71
23.984
67.01469
2
871
67.01300
1.1
1.11.1
2.2
2.2
2.2
1.1
1.1
==
=
=
=
=
=
=
( )aV
pI 712.2
2.2=
AI 94.8110
23.9842.2
==
( )7223.185523.9848712.21.1
wWPT pP =+=+=
( )7387.16110
23.1855A
V
PtIt ===
Entonces:
El primer Interruptor termo magnético debe ser según la normalización local
Soportar corriente normalizada en SQUARDIN 16 A
De una fase (Monofásico) para cable número 12 AWG
El segundo Interruptor termo magnético debe ser según la normalización
local.
Para corriente normalizada de 16 A
Monofásico
El interruptor termo magnético general debe:
Soportar la corriente de 25 A
De tipo Monofásico.
- 100 -
4.3.2 Protección contra cortocircuitos.
Estos para proteger al circuito electrónico de control de frecuencia
mediante el control de carga
4.3.2.1 Fusibles o cortacircuitos.
Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura , no son más que una
sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la
entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a
un cortocircuito, sea la parte que más se caliente, y por tanto la primera en
fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre
daño alguno.
Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al
aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas
partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito.
Fig. 4.4 Esquema del fusible
Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o
aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran
intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de
cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal
motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son
protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen
estado.
- 101 -
Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de
enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes
tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de
una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos
fusibles se clasifican según la tabla.
Tabla 4.3 Tipos de cartuchos fusibles.
Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos
antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos
para que fundan en un segundo.
Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If
Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If
Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If
o Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para
la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas
de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene
que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son
generalmente los relés térmicos.
Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que
pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los
Tipo Según norma
UNE Otras denominaciones
FUSIBLES RÁPIDOS gF gl, gI, F, FN, Instanfus
FUSIBLES LENTOS gT T, FT, Tardofus
FUSIBLES DE
ACOMPAÑAMIENTO Am A, FA, Contanfus
- 102 -
fabricantes. En la figura, vemos algunos tipos de cartuchos fusibles, así
como unas curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes.
o Los fusibles lentos (gT) son los menos utilizados, empleándose para la
protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los
cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer
entre los conductores.
o Los fusibles rápidos (gF) se emplean para la protección de redes de
distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado
generalmente.
o Los fusibles de acompañamiento (aM), como ya hemos dicho, son un
tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores
eléctricos.
Los cartuchos fusibles de los tipos gF y gT bien elegidos, en cuanto a
intensidad de fusión, se emplean también como protección contra
sobrecargas, principalmente en instalaciones de alumbrado y de
distribución, pero nunca debe de emplearse el tipo aM, ya que éstos, como
ya se dijo, están diseñados especialmente para la protección contra
cortocircuitos de los motores eléctricos.
4.3.2.2 Selección de fusible.
Cartucho fusible, tipo GF (10x 38 mm) ya que su utilización es para el
tipo de alumbrado, y su actuación debe ser inmediata para que evitar averías
en los elementos electrónicos, su intensidad de ruptura es de acuerdo a la
normalización local y la intensidad máxima que debe soportar el
controlador es de 25 A.
- 103 -
Fig. 4.5 Tipos de fusibles.
- 104 -
CAPITULO V
INSTALACIÓN DE LA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA
5.1 Implementación
El esquema básico de los aprovechamientos hidroeléctricos comprende una
bocatoma sencilla, desarenador rectangular, cámara de carga, tubería de
presión, casa de máquinas, y equipo turbo-generador. Adicionalmente podrá
ser necesario instalar una red de baja o media tensión para interconexión
eléctrica con el centro de consumo.
5.2 Bocatoma.
Las aguas se derivan de la vertiente a través de una bocatoma sencilla, como
se trata de una central muy pequeña, según recomendación y buen criterio
del los moradores del sector se utilizó piedra, barro y pedazos de quicuyo
como las que se construyen comúnmente para el riego.
- 105 -
La bocatoma se encuentra aproximadamente a 600 metros del tanque de
presión.
Fig. 5.1 Instalación de la Bocatoma
5.3 Canal de conducción.
Sirve para la conducción del agua desde la bocatoma al desarenador , el
canal del proyecto en todo su trayecto es de tierra, a excepción de un
pequeño tramo en el cual se colocó tubo en PVC debido a que en esta zona
existió un pequeño deslave que provoco que el agua se desvíe de su cause
original.
5.4 Desarenador y tanque de presión.
El desarenador es una estructura hidráulica que tiene como función remover
las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial
permite pasar. Es decir evitan que las piedras o arenilla que trae el agua,
ingrese a la tubería de presión y a la turbina.
- 106 -
El desarenador del proyecto es de flujo horizontal, el más utilizado en el
medio, es de forma rectangular y alargado.
Fig. 5.2 Excavación de desarenador tipo horizontal
5.5 Tanque de presión.
La cámara de carga (o cámara de presión) del proyecto, proporciona
suficiente profundidad para garantizar que la boca de la tubería forzada esté
siempre cubierta de agua. Se requiere de la cámara de carga por cuanto se
utiliza un canal y por que además recoge agua de otra vertiente.
Sin embargo, se recomienda que cualquier diseño incluya provisiones para
el rebose de agua y para la limpieza de sedimentos del fondo del tanque.
La profundidad del agua en la cámara de carga del proyecto es suficiente
como para cubrir la boca de la tubería forzada hasta en cuatro veces su
diámetro, para evitar que se introduzca aire a la tubería forzada.
- 107 -
Sistemas hidráulicos más grandes a menudo tienen lagunas de
sedimentación para eliminar los sedimentos. Eso no es necesario en este
sistemas pico hidro, ya que se incluye una compuerta de limpieza en el
diseño de la cámara de carga para facilitar la limpieza del lodo del fondo del
tanque.
En caso de llenarse la cámara de carga, es importante que el agua pueda
derramarse sin causar daños. El rebose existente en el proyecto lo
constituyen dos tubos de hierro de 6 de pulgadas de diámetro ubicados en la
pared más baja de la cámara de carga.
La construcción de la pequeña cámara de carga se la efectúo en el terreno
que esta conformado de piedras y arcilla y que no resulta ser cara. Es más
fácil anclar la boca de la tubería forzada cuando se utilicen piedras en la
construcción de las paredes.
La capacidad aproximada del tanque es de 30 metros cúbicos se estima así
debido a la irregularidad del contorno del tanque.
Fig. 5.3 Tanque de presión
- 108 -
5.6 Tubería de presión.
La tubería de presión constituye en muchas veces, el rubro más caro del
presupuesto total del proyecto hidroeléctrico.
Esta tubería conduce directamente desde la cámara de presión hasta la
turbina, en el extremo donde la turbina, se instala una válvula para abrir y
cerrar el pase de agua. Aguas abajo de la válvula hay una tobera que
concentra el agua en un chorro a alta presión.
La tubería seleccionada de acuerdo a los cálculos realizados en el capitulo
III sección 3.3.3 tiene las siguientes características
Se determino que el material de la tubería más adecuado para el proyecto es
de tubería en hierro estirado sin soldadura de los que se utilizan en la
transportación de petróleo. Cuyo diámetro interior es de 4 pulgadas, la
longitud total de la tubería de presión del proyecto es de 26 m.
La tubería se encuentra unida mediante acoples espiga campana que fueron
adaptadas en el taller mecánico y que se encuentran debidamente anclados.
La válvula de regulación de caudal seleccionada es una válvula tipo
compuerta, que consiste básicamente de un disco metálico que sube y baja a
voluntad.
- 109 -
Fig. 5.4 Colocación de acoples espiga tipo campana en la tubería de presión.
5.7 La casa de máquinas.
Una casa de máquinas bien diseñada protegerá a la turbina, el generador y
demás equipos sobre su vida útil que deberá ser un mínimo de 15 años. El
tipo de construcción de la casa de máquinas variará de acuerdo a la
disponibilidad de materiales locales, las preferencias locales, y el clima.
Por otro lado, una casa de máquinas demasiado elaborada resultaría en
gastos innecesarios.
5.7.1 Cimientos.
Una zanja para la cimentación del edificio deberá excavarse hasta alcanzar
roca sólida o hasta la profundidad de un metro. La cimentación (cadena)
tendrá un ancho que será el doble del espesor de las paredes a construir.
- 110 -
Áreas suaves que se encuentran en el fondo de la zanja deberán ser cobadas
y rellenados con piedra o con concreto. Se deberá emparejar y nivelar el
fondo de la zanja hasta donde sea posible. No se utiliza la tierra sacada de la
zanja para el propósito de rellenos.
Se procede a hacer la cimentación sobre la cual se construirán las paredes.
La cimentación tendrá un ancho que sea el doble del de las paredes a
construir, y tendrá forma de una grada a como se ve en la Figura 12-2.
Materiales apropiados para la cimentación son el concreto, ladrillos, o
piedra, dependiendo del material que se va a utilizar para la construcción de
las paredes.
5.7.2 Piso.
Se hace el piso por encima del nivel del terreno para evitar inundaciones del
piso durante lluvias fuertes.
Se embaldosa con concreto para asegurar cimientos seguros para la turbina
y el generador.
Se le da una leve pendiente hacia abajo hacia el canal de desfogue para
drenar aguas que pueden fugar de la turbina o las tuberías.
Se hace el piso con dimensiones adecuadas para permitir cómodo acceso
alrededor de la turbina, el generador, y el controlador, y los equipos de
transmisión mecánica tales como molinos, etc., previstos de instalar
5.7.3 Paredes.
Deberán ser de un mínimo de 2m de alto, y construidas para permitir
instalar un techo inclinado.
- 111 -
Las paredes tendrán un espesor adecuado para garantizar buena protección
de las tormentas.
En la construcción de las paredes se prevén los montajes de la caja del
controlador, equipo de lastre, caja de los capacitores etc. Se pueden instalar
paneles de madera o estantes.
5.7.4 Canal de Desfogue.
El canal de desfogue se reviste de concreto hasta una profundidad de
100mm adentro de la casa de máquinas
El revestimiento de concreto debe de extender un mínimo de un metro
afuera de la casa de máquinas y ser impermeable para proteger los cimientos
de la casa de máquinas.
5.8 Cimentación de la turbina.
Se denomina cimentación a la parte de la estructura cuya misión es
transmitir las cargas de la máquina al suelo. Debido a que la resistencia del
suelo es, generalmente, menor que los elementos que soportará, el área de
contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande
que los elementos soportados.
La cimentación de la turbina al piso se la hizo mediante la ayuda de varilla
de construcción que fue soldada a la base de la turbina y anclada al piso con
pernos de 3/4 por 2 pulgadas.
- 112 -
Fig. 5.5 Cimentación de la turbina Michell Banki al piso.
5.9 Sistema de acoplamiento.
Los acoplamientos o acoples flexibles son elementos mecánicos que sirven
para hacer conexiones semipermanentes entre dos ejes o árboles.
Para nuestro caso se han seleccionado los acoplamientos flexibles que se
han ideado para unir árboles de transmisión que están desalineados, bien por
desplazamiento transversal o por algún defecto de construcción, el beneficio
secundario que nos proporciona es la absorción de choques debidos a la
fluctuación del momento de par que actúa sobre el árbol o de la velocidad
angular de este.
El acoplamiento flexible rápido seleccionado rápido consta de dos placas de
hierro unido por medio de eslabones de caucho firmemente sujetados por
pernos, recomendado para cargas ligeras y para ejes de hasta 90 mm de
diámetro.
Este acoplamiento consiste en dos platos de hierro, el miembro conductor
transmite el movimiento al conducido por medios de tiras o eslabones de
caucho cortados de la medida adecuada
- 113 -
Fig. 5.6 Acoples flexible con correas de caucho.
- 114 -
CAPITULO VI
ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO.
6.1 Análisis técnico económico comparativo de la turbina.
En el mercado la realización de un proyecto de hidrogeneración resulta
alrededor de diez mil dólares a doce mil dólares para nuestra potencia
propuesta esto debido a que las compañías tienen que beneficiarse de
ciertas ganancias, ahora nuestro proyecto la reducción del costo es notable
debido a que nuestros materiales propuestos son de buena calidad
encontrados en cierta proporción en el reciclaje.
6.2 Análisis técnico económico comparativo de la parte de generación.
Los generadores síncronos en nuestro medio para 5 Kw. no son muy
comunes por lo que son en casos necesarios la traída de afuera del país y eso
eleva el costo del proyecto, para resolver este problema se vio necesario el
conseguir el generador síncrono a bajo costo por lo que se pudo extraer solo
- 115 -
el generador de un equipo de generación de combustión interna
relativamente usado que cumple con las mismas exigencias que se impuso
en el proyecto.
6.3 Justificación de la inversión económica del proyecto.
Económicamente un proyecto es una fuente de costos y beneficios que
ocurren en diferentes períodos de tiempo. El reto de alguien que toma
decisiones en torno a la pertinencia de ejecutar o no determinado proyecto
es identificar los costos y beneficios atribuidos al mismo, y medirlos
(valorarlos) con el objetivo de señalar si es conveniente o no su ejecución. A
este enfoque se le denomina evaluación económica de proyectos, para el
presente proyecto determinaremos el flujo real de dinero, enfatizado en el
sentido empresarial de la misma, de esta forma, es posible prever si se
recuperará o no las inversiones realizadas y se pueden pagar los costos de
operación y mantenimiento, con el fin de garantizar la continuidad de
funcionamiento de la pico central hidráulica.
Como se mencionó anteriormente se realizaran el método Beneficio vs.
Costo, para lo cual se requiere cuantificarles con mayor cuidado, en el
presente proyecto no se considera los préstamos por que el mismo fue
financiado por inversión propia.
- 116 -
COSTOS DE INVERSIÓN ACTIVO FIJO. OBRAS CIVILES. Costo final. 216,27 $ dólares americanos. MÁQUINARIA Y EQUIPO ELECTROMECÁNICO. Costo final. 2363,7 $ dólares americanos. Montaje e instalación de maquinaria. Costo final. 200 $ dólares americanos. ACTIVO INTANGIBLE. Intereses durante la construcción 0 $ dólares americanos.
TOTAL:
2779,97 $ dólares americanos. invertidos en el año 1
COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. COSTO DE OPERACIÓN Costo final. 0 $ dólares americanos. Costo de Mantenimiento Costo final 14,97 $ dólares americanos. TOTAL:
14,97$ dólares americanos.
- 117 -
6.3.1 Beneficios.
Son lo ingresos por venta de energía y el valor residual.
El consumo del Kw.-h en el sector según la evaluación determinada en el
capitulo IV. nos da que para nuestro proyecto y en el lugar de distribución
es de:
4,2 Kw.-h para el año 2 hasta el año 5 4,5 Kw.-h para el año 5 hasta el año10 5 Kw.-h para el año 11 hasta el año15
Costo de Energía para el sector residencial según el Cenase es de 0,0914
dólares americanos el Kw.-h
Para el año 2009 los impuestos a la venta de energía son:
Comercialización 1,41 $dólares americanos.
IVA de 12% de acuerdo al consumo mensual
1,38 año 2 hasta 5 1,48 año 6 hasta 10 1,64 año 11 hasta 15
Subsidio ecuatoriano para nuestro caso es un costo adicional ya que nuestro
pico central no obtiene este beneficio.
0,35 $dólares americanos.
- 118 -
Alumbrado público 1,75 $dólares americanos. Total de impuestos mensuales 4,89 $ para el año 2 hasta el 5 Total impuestos anuales =total de impuestos mensual x 12 Total impuestos anuales =4,89x12 Total impuestos anuales =58,68
AÑOS
VENTA ANUAL DE ENERGÍA ( Consumo mensual x 12)
Dos -hasta -cinco 1512 Kw.-h
Seis-hasta-diez 1620 Kw.-h
Once-hasta-quince 1800 Kw.-h
Consumo mensual= consumo diario x 30 Consumo mensual= 4,2*30 = 126 Kw.-h Consumo mensual= 4,5*30= 135 Kw.-h Consumo mensual= 5*30= 150 Kw.-h Consumo anual= Consumo mensual x 12 Consumo anual= 126*12= 1512 Kw.-h Consumo anual= 135*12= 1620 Kw.-h Consumo anual= 150*12= 1800 Kw.-h
AÑOS INGRESOS POR VENTA DE ENERGÍA A $ 0,0914 DÓLARES
Kw.-h Impuestos Ingreso por venta $
Dos -hasta -cinco 1512 Kw.-h 58,68 196,8768
Seis-hasta-diez 1620 Kw.-h 59,88 207,948
Once-hasta-quince 1800 Kw.-h 61,8 226,32
- 119 -
6.3.2 Valor residual.
Es el valor de los bienes, en el último año de la vida útil del proyecto.
Para calcular este valor se debe tener en cuenta la depreciación o pérdida
de valor del bien la cual se determina teniendo en cuenta el criterio de
tiempo de vida útil, como por ejemplo para nuestro caso se tiene:
Obra civil: 50 años Maquinaria y equipo electromecánico: 30 años
Pero nosotros hemos determinado que nuestro proyecto al usar diferentes
tipos de materiales que no son los convencionales por ser de elevados
costos, pero que cumplen con nuestras exigencias se ha llegado a la
conclusión de que su vida útil es:
Obra civil: 20 años Maquinaria y equipo electromecánico: 20 años
Así que el valor residual se puede calcular con la siguiente expresión:
−=N
nViViVRn
(74)
Donde : VRn = Valor residual en el año n ,(en $) Vi = Valor inicial del bien ,en año de su instalación ,(en $) N = Vida útil del bien ,(en años) n = Año en que se calcula el valor residual ,(en años)
Para nuestro proyecto:
- 120 -
6.3.2.1 Valor residual de obra civil: Valor inicial: Vi = 216,27 $ dólares americanos. Vida útil N = 20 años
Tiempo de uso de proyecto n = 15 años Vr15c = 216,27 (1-(15/20)) Vr15c = 54,0675 $ dólares americanos.
6.3.2.2 Valor residual de la maquinaria, equipo electromecánico y otros. Valor inicial: Vi = 2363,7 $ dólares americanos. Vida útil N = 20 años Tiempo de uso de proyecto n = 15 años
Vr15e = 2363,7 (1-(15/20)) Vr15e = 590,925 $ dólares americanos.
6.3.2.3 Otros valores residuales (instalación y montaje)
En este caso solo se considera la recuperación del capital de trabajo, que
asciende a 14meses
Valor inicial: Vi = 200 $ dólares americanos. Vida útil N = 24 meses Tiempo de recuperación n = 14 meses
Vr15o = 200 (1-(14/24)) Vr15o = 83,3333333 $ dólares americanos.
- 121 -
6.3.2.4 Valor residual total.
El valor residual total se obtiene sumando todos los valores residuales
anteriormente hallados.
oVreVrcVrVrt 15151515 ++= (75) Vrt15= 54,0675+590,925+83,33 Vrt15= 728,325833 $ dólares americanos.
6.3.3 Flujo de caja interno.
Este cuadro se elabora considerando los siguientes rubros:
Ingresos:
• Venta de energía.
• Valor residual
Egresos.
• Inversiones.
• Costos de operación y mantenimiento.
- 122 -
Flujo de caja interno. $ dólares americanos.
Año Beneficios. Costos
Valor
Energía Valor
residual Ben.
Total. Inversiones
Operac. Y
Mant. Costo total. Flujo de caja
1 ---------- ----------- 2779,97 2779,97 -2779,97 2 196,876 196,876 14,97 14,97 181,906 3 196,876 196,876 14,97 14,97 181,906 4 196,876 196,876 14,97 14,97 181,906 5 196,876 196,876 14,97 14,97 181,906 6 207,948 207,948 14,97 14,97 192,978 7 207,948 207,948 14,97 14,97 192,978 8 207,948 207,948 14,97 14,97 192,978 9 207,948 207,948 14,97 14,97 192,978 10 207,948 207,948 14,97 14,97 192,978 11 226,32 226,32 14,97 14,97 211,35 12 226,32 226,32 14,97 14,97 211,35 13 226,32 226,32 14,97 14,97 211,35 14 226,32 226,32 14,97 14,97 211,35 15 226,32 728,3258 954,6458 14,97 14,97 939,6758
6.3.4 Calculo Del Valor Actual Neto. (VAN)
Se realiza el procedimiento de actualizar el flujo de caja interno a las
diversas tasas de descuento la tasa de descuento para nuestro proyecto en la
Maquinaria es 10% y para Obra Civil 5%, y concluimos con la tasa del 1%
para el gráfico de la TIR .
Los factores del Valor actual a 1 dólar se encuentran en las tablas (ANEXO
VII), provenientes de la siguiente ecuación.
( )
+=
niFP
1
1
(76)
Es el valor actual de monto de dinero futuro; es decir, es el monto que
debemos colocar hoy, a una tasa de interés i, durante n años para obtener
después de esos años el monto F.
- 123 -
Año Flujo de Caja VAN
TASA 10%
TASA 5%
TASA 1%
Factor del valor actual
VANE 10% Factor del Valor actual
VANE 5% Factor del valor actual
VANE 1%
1 -2779,97 0,9091 -2527,27073 0,9524 -2647,64343 0,9901 -2752,4483 2 181,906 0,8265 150,345309 0,907 164,988742 0,9803 178,322452 3 181,906 0,7513 136,665978 0,8638 157,130403 0,9706 176,557964 4 181,906 0,683 124,241798 0,8227 149,654066 0,961 174,811666 5 181,906 0,6209 112,945435 0,7835 142,523351 0,9515 173,083559 6 192,978 0,5646 108,955379 0,7462 144,000184 0,9421 181,804574 7 192,978 0,5132 99,0363096 0,7267 140,237113 0,9327 179,990581 8 192,978 0,4665 90,024237 0,6768 130,60751 0,9235 178,215183 9 192,978 0,4241 81,8419698 0,6446 124,393619 0,9143 176,439785 10 192,978 0,3856 74,4123168 0,6139 118,469194 0,9053 174,702983 11 211,35 0,3505 74,078175 0,5847 123,576345 0,8963 189,433005 12 211,35 0,3186 67,33611 0,5568 117,67968 0,8875 187,573125 13 211,35 0,2897 61,228095 0,5303 112,078905 0,8787 185,713245 14 211,35 0,2633 55,648455 0,5051 106,752885 0,87 183,8745 15 939,675 0,2394 224,958195 0,481 451,983675 0,8614 809,436045
VANE 1461,71776 2184,07567 3149,95867
-1065,55296 -463,567756 397,51037
6.3.5 Tasa interna de retorno (TIR)
La TIR es la tasa de descuento que se hace al VAN igual a cero, se
determina mediante la ayuda de un gráfico donde se representan los VANE
para las tasas de descuento 10% y 1% ,entonces la TIR se determina
uniendo estos puntos ,justamente en el lugar en el que la recta corta al eje de
las tasas de descuento el VANE es cero ,una recta nos da un valor
aproximado ,si deseamos mayor precisión tendremos que tomar un mayor
número de puntos a diferentes valores del VANE cercanos a cero y luego
trazar la recta de interpolación.
- 124 -
TIR
3 9 7 ,5 1
13 5 ,8 4
- 6 7 ,2 2
-2 9 1,8 3
-4 6 3 ,5 7
-6 19 ,4 5
-7 4 5 ,8 7
-8 7 1,17
-10 0 0 ,0 3
-10 6 5 ,5 5
-1200,0
-1000,0
-800,0
-600,0
-400,0
-200,0
0,0
200,0
400,0
600,0
0 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%
TASA DE DESCUENTO
VA
NE
Fig. 6.1 Gráfica del VAN
TIR
3 9 7 ,5 1
13 5 ,8 4
-6 7 ,2 2
-2 9 1,8 3
-4 6 3 ,5 7
-6 19 ,4 5
-7 4 5 ,8 7
-8 7 1,17
-10 0 0 ,0 3
-10 6 5 ,5 5
-1400,0
-1200,0
-1000,0
-800,0
-600,0
-400,0
-200,0
0,0
200,0
400,0
600,0
1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%
TASA DE DESCUENTO
VA
NE
Serie2 Lineal (Serie2)
Fig. 6.2 Grafica del TIR
- 125 -
Cuando se hace la determinación de la TIR con FNE constantes, de hecho se
considera una tasa de inflación de cero y si se trata de un proyecto de
inversión social ya que se pretende lucrar del proyecto, por lo que la TIR así
solo equivale al premio al riesgo ganado, los resultados indican lo
siguiente: tomando en cuenta el criterio de aceptación que se emplea en la
evaluación el método de la TIR, el proyecto debe aceptarse si TIR es mayor
o igual que la TMAR.
Si TIR ≥ TMAR, acepta la inversión
Con FNE constantes, TMAR = inflación + premio al riesgo. Como la
inflación es cero la TMAR= 0+ premio al riesgo
EL premio al riesgo depende de la empresa en la que se evalúe, en el caso
de proyectos gubernamentales y de proyectos de inversión social van desde
0 a 3%.
Tomando como el porcentaje máximo de premio al riesgo para nuestro
proyecto diríamos que nuestro TMAR= 0+ 3% TMAR= 3%
Entonces:
TIR = 3,44% ≥ TMAR=3%
6.3.6 Conclusión.
Con este criterio diríamos que nuestro proyecto no tiene una gran
rentabilidad como para lucrar del mismo, pero podremos decir que nuestro
dinero invertido será reembolsado y recuperado teóricamente, y eso es
suficiente para nuestros fines del proyecto ya que fue realizado para
beneficio social.
- 126 -
CAPITULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 Conclusiones
o La realización de cursos internacionales ha permitido que la tecnología
se replique más fácilmente en otras zonas del país. Los avances técnicos
más importantes y ello ha despertado el interés de diversos actores en
seguir desarrollando investigación para poder hacer más eficiente el
sistema y reducir los costos.
o Las publicaciones también han permitido difundir los conocimientos y
llevar la discusión respecto a la cobertura energética en zonas rurales a
ámbitos académicos, desde los que se puede promover es escalamiento.
o Las limitaciones técnicas y económicas existentes en las zonas rurales,
son generalmente un determinante para la elección de la localización de
una Pico central hidráulica. Por lo general, el bajo nivel educativo limita
- 127 -
el aprendizaje en materia de operación y mantenimiento del sistema. Por
ello, es elemental realizar todo un proceso de capacitación integral con
las personas que se encargarán de dichas labores.
o La formación de una politécnica local, ESPEL, responsable de la
gestión de la PCH, permite reducir costos y le da credibilidad al sistema
de gestión de la PCH. Además el grado de desarrollo del tejido social en
el momento en que se instaló la PCH facilita la aparición de la ESPEL.
Los niveles de asociatividad, el establecimiento y funcionamiento
sostenible de la misma fortalece el capital social, tan necesario para el
desarrollo económico y social de las comunidades. Sentar estas bases
contribuirá al desarrollo del sistema.
o Se puede aprender muchas lecciones del proyecto, y se ha establecido
que en términos comerciales, se puede hacer mejoras en la segmentación
del mercado y el diseño de productos más afines con las necesidades de
cada una de las zonas rurales donde se trabaja. Aspectos como: monto,
modalidad, plazo, moneda, perfil de riesgo del cliente, estructura de
costos del prestamista, calidad de garantías y muchos otros criterios
técnicos, como tamaño de la central, tecnología, grado de avance del
proyecto, demandante de energía u ofertante de energía, han sido
identificados como factores claves a ir adecuando, de acuerdo a las
particularidades locales, con la visión de propiciar un desarrollo
verdaderamente sostenible.
- 128 -
7.2 Recomendaciones
o Se debería evaluar el impacto real en la mejora de calidad de vida, que
ha tenido el acceso a la energía eléctrica en las poblaciones rurales. Con
ello, se podría identificar qué capacidades sociales se han puesto en
riesgo con el ingreso de esta innovación, cuáles son los usos más
frecuentes de la energía, si ha contribuido o no a mejorar los niveles
educativos, si el acceso a la información es suficiente o ha planteado
nuevas necesidades, si genera cohesión social o divergencia, etc.
Conociendo este marco, se podría plantear estrategias para reducir los
impactos negativos, y dirigir las dinámicas sociales hacia una
optimización de la oportunidad.
o Es necesario también actuar en el empoderamiento de los beneficiarios
capacitándolos en torno a los siguientes temas:
• Cultura del ahorro de energía.
• Cultura ciudadana y desarrollo de mecanismos de fiscalización en el
marco de trabajo de los Medios de Vida Sostenibles.
o Los manuales y guías para hacer las reparaciones en los equipos en caso
de avería podrían estar en el idioma nativo local y con mucha ayuda
gráfica, para facilitar el aprendizaje de los encargados del manejo de la
central, o de quienes los sucederán en el futuro haciendo dichas labores.
- 129 -
o Alto costo inicial: la inversión requerida está muy concentrada en el
desarrollo inicial del proyecto, como por ejemplo, construcción de la
obra civil, y la realización del equipo electromecánico.
o Disponibilidad local: la tecnología depende de las condiciones
topográficas e hidrológicas, entonces no está disponible en cualquier
sitio. Las posibilidades de transmisión de la energía a largas distancias
son limitadas por los costos de éste.
o Potencia máxima: esta es limitada y definida por el recurso natural en un
sitio. Limita las posibilidades de expansión a largo plazo para atender al
crecimiento de la demanda.
o Variabilidad del caudal: los caudales de agua pueden variar
considerablemente durante las diferentes temporadas, lo que tiene
impacto en la generación de energía.
- 130 -
BIBLIOGRAFÍA
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o http://www.ute.com.uy/servicios_cliente/docs/C%20I-F.pdf (PROTECCIONES ELÉCTRICAS)
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o http://www.geocities.com/SiliconValley/Program/7735/TECNOL16.html (PROTECCIONES DE FUSIBLES)
o http://www.conatel.com.uy/archivos_notas/043_Cap%20XIX_Motores%20generadores%20y%20convertidores.pdf (REGLAMENTO DE PROTECCIÓN DE MOTORES Y GENERADORES)
o http://guia.mercadolibre.com.ar/criterios-construccion-transformadores-monofasicos-14836-VGP (CONSTRUCCIÓN DE TRANSFORMADORES)
o http://taitsa.com.ar/esp/tmat_66_500/tmat_vau.htm (CONSTRUCCIÓN DE LA CARCASA)
o http://sas.editorialcep.com/muestra/electricistas.pdf (PROTECCIONES DE CASAS)
o http://operandina.net/c_op1300.htm (CONSTRUCCION DE CARCASAS)
o http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=150&fdname=CHEMICAL+PRODUCTS&pagename=Planta+de+produccion+de+aceites+para+transformadores (ACEITE DE TRANSFORMADORES)
I
I
ANEXO I
II
ANEXO II
Fuente: Catálogo General SKF
Guía de valores requeridos de vida nominal L10h para diferentes clases de máquinas
Clases de máquinas L10h horas de servicio
Electrodomésticos, máquinas agrícolas, instrumentos, aparatos para uso médico.
300 a 3 000
Máquinas usadas intermitente o por cortos períodos : Máquinas-herramienta portátiles, aparatos elevadores para talleres, máquinas para la construcción.
3 000 a 8 000
Máquinas para trabajar con alta fiabilidad de funcionamiento por cortos períodos o
intermitentemente: Ascensores, grúas para mercancías embaladas.
8 000 a 1 2000
Máquinas para 8 horas de trabajo diario no totalmente
utilizadas: Transmisiones por engranajes para uso general, motores eléctricos para uso industrial, machacadoras giratorias.
10 000 a 25 000
Máquinas para 8 horas de trabajo diario totalmente
utilizadas: Máquinas-herramientas, máquinas para trabajar la madera, máquinas para la industria mecánica general, grúas para materiales a granel, ventiladores, cintas transportadoras, equipo de imprenta, separadores y centrífugas.
20 000 a 30 000
Máquinas para trabajo continuo, 24 horas al día: Cajas de engranajes para laminadores, maquinaria eléctrica de tamaño medio, compresores, tornos de extracción para minas, bombas, maquinaria textil.
40 000 a 50 000
Maquinaria para abastecimiento de agua, hornos giratorios, máquinas cableadoras, maquinaria de propulsión para trasatlánticos.
60 000 a 100 000
Maquinaria eléctrica de gran tamaño, centrales eléctricas, ventiladores y bombas para minas, rodamientos para la línea de eje de transatlánticos.
≈ 100 000
III
AN
EX
O I
II
IV
ANEXO IV
Fuente. Máquinas Prontuario N Larburu
V
ANEXO V
VI
ANEXO VI
Circuito de control electrónico
Banco de resistencias calefactores
VII
ANEXO VII
VIII
ANEXO VIII
IX
ELABORADO POR
FREDDY JAVIER LANDA QUIMBITA
LUIS EDUARDO LLANGANATE QUINATOA
EL DIRECTOR DE CARRERA DE INGENIERIA
ELECTROMECANICA
ING. MARIO JIMENEZ
EL SECRETARIO DE LA ESPE LATACUNGA
AB. EDUARDO VASQUEZ ALCAZAR
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